Upload
-
View
5.780
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Все учебники и ГДЗ, средней школы онлайн на сайте http://bookgdz.ru/ химия 11кл рудзитис фельдман_гдз_2000
Citation preview
3
Домашняя работапо химииза 11 класс
к учебнику «Химия. 11 класс», Г.Е. Рудзитис,Ф.Г. Фельдман, М.: «Просвещение», 2000 г.
УЧЕБНО-ПРАКТИЧЕСКОЕПОСОБИЕ
4
СОДЕРЖАНИЕГлава XI. Амины. Аминокислоты. Азотсодержащиегетероциклические соединения....................................................................5
Задачи к §§1, 2 (стр. 14) .............................................................................5Задачи к §3 (стр. 17) .................................................................................26
Глава XII. Белки и нуклеиновые кислоты ..............................................29Задачи к §§1, 2 (стр. 24) ...........................................................................29
Глава XIII. Синтетические высокомолекулярные вещества иполимерные материалы на их основе .......................................................35
Задачи к §1 (стр. 31) .................................................................................35Задачи к §§2, 3 (стр. 36) ..........................................................................42
Глава XIV. Обобщение знаний по курсу органической химии ............47Задачи к §§1-5 (стр. 53) ............................................................................47
Глава II. Периодический закон и периодическая системаД.И. Менделеева на основе учения о строении атома ...........................63
Задачи к §§1-3 (стр. 70) ............................................................................63Глава III. Строение вещества .....................................................................74
Задачи к §§1–4 (стр. 84) ...........................................................................74Глава IV. Химические реакции..................................................................82
Задачи к §§1, 2 (стр. 93) ...........................................................................82Глава V. Металлы ........................................................................................92
Задачи к §§1-10 (стр. 120) ........................................................................92Глава VI. Неметаллы .................................................................................110
Задачи к §§1-3 (стр.140) .........................................................................110Глава VII. Генетическая связь органических и неорганическихвеществ .........................................................................................................120
Задачи к §§1, 2 (стр.144) ........................................................................120
5
Глава XI. Амины. Аминокислоты. Азотсодержащиегетероциклические соединения
Задачи к §§1, 2 (стр. 14)
Вопрос № 1Напишите химические формулы веществ (по два примера),
относящихся: а) к нитросоединениям; б) к сложным эфирамазотной кислоты.
Ответ:а) К нитросоединениям относятся нитроэтан и 2-нитропропан:
СН3–СН2–NО2 СН3–СН–СН3|
NО2
нитроэтан 2-нитропропан
б) Примерами эфиров азотной кислоты могут служить метил-нитрат (метиловый эфир азотной кислоты) и этилнитрат (этиловыйэфир азотной кислоты).
СН3–О–NО2 СН3–СН2–О–NО2
метилнитрат этилнитрат
Вопрос № 2Что такое амины и каково строение их молекул?
Ответ:Аминами называют производные углеводородов, содержащие
в молекуле аминогруппу –NH2. Можно рассматривать амины так-же как производные аммиака, в которых один или несколько водо-родных атомов замещены на углеводородные радикалы. Строениемолекул предельных аминов сходно со строением молекулы ам-миака. В молекуле метиламина СН3–NН2 атом углерода находитсяв состоянии sp3-гибридизации. Связь между атомами азота и угле-рода образуется за счет одной из гибридных sp3-opбитaлeй атомауглерода и р-орбитали атома азота.
6
Вопрос № 3Исходя из строения молекул укажите сходные и отличитель-
ные свойства аминов и аммиака.
Ответ:В молекулах аммиака и аминов у атома азота есть неподелен-
ная электронная пара. За счет этой электронной пары возможновзаимодействие с ионам водорода Н+:
Н3N: + Н+ = NН4
+
СН3–Н2N: + Н+ = CH3–NH3+
При реакциях аминов и аммиака с кислотой образуются солиаммония:
NH3 + НCl = NH4Cl (хлорид аммония)
СН3–NH2 + НCl = СН3–NН3Сl (хлорид метиламмония)
При растворении аммиака или аминов в воде в небольшой сте-пени образуются гидроксид-ионы и раствор становится щелочным.Аммиак и амины являются слабыми основаниями:
NH3 + Н2О = NН4+ + ОН–
СН3–NH2 + Н2O = СН3–NH3+ + ОН–
Однако по сравнению с аммиаком амины являются болеесильными основаниями (объяснение см.: Ответ на вопрос 4).
Вопрос № 4Даны амины: а) метиламин; б) диметиламин; в) триметил-
амин. Напишите их структурные формулы и поясните, у кого изних основные свойства выражены сильнее, а у какого – слабее.Почему?
Ответ:СН3–NH2 СН3 СН3
| |СН3–NH СН3–N
|СН3
метиламин диметиламин триметиламин
7
Основные свойства аминов, как и аммиака, обусловлены нали-чием у атома азота неподеленной электронной пары. Поэтому, чембольше электронная плотность на атоме азота, тем сильнее выра-жены основные свойства амина. В молекуле метиламина атом азо-та соединен с метальным радикалом. Электроотрицательность во-дорода меньше, чем углерода и азота, поэтому происходит смеще-ние электронов от трех атомов водорода к атому углерода и затем– к атому азота (на рисунке показано стрелками):
CH ����
H���
H
������
NH2����
��
В результате электронная плотность на атоме азота увеличива-ется и метиламин является более сильным основанием, чем амми-ак. В молекуле диметиламина атом водорода соединен с двумя ме-тальными радикалами, и к атому азота передается электроннаяплотность от шести атомов водорода, поэтому электронная плот-ность на атоме азота больше, чем в молекуле метиламина, и диме-тиламин является более сильным основанием, чем метиламин. На-конец, в молекуле триметиламина три метильных радикала приатоме азота, и происходит смещение электронов к атому азота отдевяти атомов водорода. Поэтому триметиламин является, в своюочередь, более сильным основанием, чем диметиламин. Таким об-разом, у метиламина основные свойства выражены слабее всего, ау триметиламина – сильнее всего.
Вопрос № 5Составьте уравнения реакций, в результате которых можно
осуществить следующие превращения:
CH3 NH2
CH3 NH3HSO4
(CH3 NH3)2SO4
CH3 NH2
���
������
������������
8
Ответ:При реакции метиламина с серной кислотой образуется суль-
фат метиламмония (СН3–NH3)2SО4 (при избытке метиламина) илигидросульфат метиламмония СН3–NH3НSO4 (при избытке сернойкислоты):
2CH3–NH2 + H2SО4 = (CH3–NH3)2SО4
CH3–NH2 + H2SО4 = CH3–NH3HSО4
При действии на сульфат или гидросульфат метиламмонияраствора щелочи выделяется метиламин:
(СН3–NН3)2SО4 + 2NaOH = 2CH3–NH2 + Na2SО4 + 2H2О
СН3–NH3НSO4 + 2NaOH = CH2–NH2 + Na2SО4 + 2H2О
Вопрос № 6Сравните свойства: а) аминов предельного ряда и анилина;
б) спиртов предельного ряда и фенола. Какие свойства у этихвеществ сходны и чем они отличаются друг от друга? Почему?Составьте уравнения реакций, подтверждающие выводы.
Ответ:а) И предельные амины, и анилин проявляют основные
свойства. Например, все амины реагируют с кислотами с обра-зованием солей:
СН3–NH2 + НCl = СН3–NН3Сl (хлорид метиламмония)
NH2
+ НСl ���
NH3Cl
Однако анилин является намного более слабым основанием,чем метиламин. Это объясняется влиянием бензольного кольца,которое оттягивает к себе электроны. В результате электроннаяплотность на атоме азота уменьшается, и основные свойства ос-лабевают.
б) И спирты, и фенолы реагируют с металлическим натрием свыделением водорода:
2СН3–ОН + 2Na = 2СН3–ОNа + Н2
9
2
OH
+ 2Nа 2
ONa
+ Н2
Однако фенол реагирует с гидроксидом натрия, а спирт – нет:
OH
+ NаОН
ONa
+ Н2О
Таким образом, спирты и фенолы проявляют кислотные свой-ства, но у фенолов они выражены сильнее. Это объясняется тем,что бензольное кольцо притягивает к себе электроны от атома ки-слорода, вследствие этого электроны атома водорода сильнее сме-щаются к атому кислорода. Связь между атомами водорода и ки-слорода становится более полярной и поэтому разрывается легче,чем в спиртах.
Вопрос № 7На примере анилина объясните сущность взаимного влияния
групп атомов в молекуле.
Ответ:В молекуле анилина происходит смещение электронной
плотности от аминогруппы к бензольному кольцу. В результатеэлектронная плотность на атоме азота уменьшается, основныесвойства аминогруппы ослабевают по сравнению с аминогруп-пой в предельных аминах. С другой стороны, это приводит ктому, что электронная плотность в бензольном кольце увеличи-вается, поэтому реакции замещения в анилине протекают легче,чем в бензоле. Например, при действии на бензол брома реак-ция замещения протекает только в присутствии катализатора –бромида железа – и замещается только один атом водорода, об-разуется бромбензол:
10
+ Br2 ���t, FeBr3
Br
+ НBr
Реакция анилина с бромом протекает и без катализатора, при-чем происходит замещение сразу трех атомов водорода и образу-ется 2,4,6-триброманилин.
NH2
+ 3Br2
��������
NH2BrBr
Br
+ 3HBr
Вопрос № 8Составьте уравнения реакций, в результате которых можно
синтезировать анилин из следующих исходных веществ:а) метана; б) известняка, угля и воды.
Ответ:а) Из метана при сильном нагревании можно получить аце-
тилен:
2СН4
����t НС≡СН + 3Н2
Из трех молекул ацетилена может образоваться молекула бен-зола (реакция тримеризации):
3HC≡CH����t, кат
СH
СHСH
СH
СHСH
При действии на бензол смеси концентрированной азотной ки-слоты и концентрированной серной кислоты происходит замеще-ние атома водорода на нитрогруппу и образуется нитробензол:
11
+ НNО3����H2SO4
NO2
+ Н2О
Нитробензол можно восстановить в аминобензол (анилин):
NO2 ����Fe, HCl
[H]
NH2
б) При сильном нагревании карбонат кальция разлагается наоксид кальция и оксид углерода (IV):
СаСО3 = СаО + СО2
Оксид кальция при высокой температуре реагирует с углем собразованием карбида кальция:
2СаО + 5С = 2СаС2 + СО2
При действии на карбид кальция воды получается ацетилен:СаС2 + 2H2O = НС≡СН + Са(ОН)2
Далее из ацетилена получают в три стадии анилин так же, какв пункте а.
Вопрос № 9Изобразите структурные формулы изомерных веществ, моле-
кулярная формула которых C5H13N. Под формулами приведите на-звания веществ.
Ответ:Существует 15 изомерных аминов, соответствующих формуле
C5H13N:СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–NН2 СН3–СН2–СН2–СН–СН3
|NН2
1-аминопентан 2-аминопентан
СН3–СН2–СН–СН2–СН3 СН3–СН2–СН–СН2–NН2| |NН2 СН3
3-аминопентан 1-амино-2-метилбутан
12
NН2|
СН3–СН–СН2–СН2–NН2 СН3–СН2–С–СН3| |СН3 СН3
1-амино-3-метилбутан 2-амино-2-метилбутан
CН3|
СН3–СН–СН–СН3 СН3–С–СН2–NН2| | |СН3 NН2 СН3
2-амино-3-метилбутан 1-амино-2,2-диметилпропан
СН3–СН2–СН2–СН2–NН СН3–СН2–СН2–NН–СН2–СН3|СН3
метилбутиламин этилпропиламин
СН3–СН–СН2–NН СН3–СН–NН–СН2–СН3| | |СН3 СН3 СН3
метилизобутиламин этилизопропиламин
СН3|
СН3–СН2–СН–NН СН3–С–NН–СН3| | |СН3 СН3 СН3
метилвтор-бутиламин метилтрет-бутиламинСН3
СН3 СН3 || | СН3–СН2–N
СН3–СН2–СН2–N СН3–СН–N || | | СН2
СН3 СН3 СН3 |СН3
диметилпропиламин диметилизопропиламин диэтилметиламин
Вопрос № 10Как получают аминокислоты? Составьте уравнения реакций.
13
Ответ:Аминокислоты можно получить из карбоновых кислот. Атомы
водорода у атомов углерода, ближайших к карбоксильной группе,легко замещаются на галоген и образуются галогензамещенныекарбоновые кислоты:
CO
OHCH3 + Сl2
��� Сl– CO
OHCH2 + НСl
При восстановлении нитрогруппы водородом:
NО2–СН2–СООН���Fe, HCl
[H]NН2–СН2–СООН
При действии аммиака на галогензамещенные карбоновые ки-слоты атом галогена замещается на аминогруппу:
Сl– CO
OHCH2 + NН3
��� Н2N– CO
OHCH2 + НСl1
Вопрос № 11При крекинге нефти образуется этилен. Какую простейшую
аминокислоту можно из него синтезировать? Составьте уравне-ния соответствующих реакций.
Ответ:Из этилена можно синтезировать аминоэтановую кислоту
(аминоуксусную кислоту, глицин) следующим путем: при присое-динении к этилену воды в присутствии кислоты образуется этило-вый спирт:
СН2=СН2 + Н2О����
H+, t СН3–СН2–ОН
Этиловый спирт окисляется в присутствии катализатора в ук-сусную кислоту:
1 Данная реакция указана в учебнике. На самом деле реакция идет дальше.Происходит взаимодействие НСl и NH3: NH3 + НСl
������ NH4Сl – конечный
продукт реакции.
14
СН3–СН2ОН + О2 ����t, кат C
O
OHCH3 + Н2О
При взаимодействии уксусной кислоты с хлором образуетсяхлоруксусная кислота:
CO
OHCH3 + Сl2
���Сl– C
O
OHCH2 + НСl
При обработке хлоруксусной кислоты аммиаком происходитзамещение атома хлора на аминогруппу и образуется аминоуксус-ная кислота:
Сl– CO
OHCH2 + NH3
�������� Н2N– C
O
OHCH2 + НСl
Вопрос № 12Составьте уравнения реакций 2-аминопропионовой кислоты:
а) с гидроксидом калия; б) с серной кислотой; в)с этанолом.
Ответ:а) При реакции с гидроксидом калия 2-аминопропионовая ки-
слота проявляет кислотные свойства:
CO
OHCH
NH2
CH3 + КОН���
CO
OKCH
NH2
CH3 + Н2О
б) При реакции с серной кислотой 2-аминопропионовая кисло-та проявляет основные свойства:
15
2 CO
OHCH
NH2
CH3 + Н2SО4����
CO
OHCH
NH3
CH3 SО4
в) При реакции с этиловым спиртом образуется сложный эфир:
CO
OHCH
NH2
CH3 + СН3СН2ОН��� C
O
OCH2CH3
CH
NH2
CH3 + Н2О
Вопрос № 13Даны вещества: а) этиламин: б) анилин; в) аминоэтановая ки-
слота. Как можно различить эти вещества? Напишите уравне-ния соответствующих реакций.
Ответ:Эти вещества можно различить по внешнему виду и физи-
ческим свойствам. Этиламин – газ, с резким запахом, напоми-нающим запах аммиака, хорошо растворим в воде. Анилин –жидкость с неприятным запахом, с водой не смешивается. Ами-ноэтановая кислота – твердое вещество белого цвета, хорошорастворимое в воде.
1) Соответствующие реакции взаимодействия с водой:СН3–СН2–NH2 + Н2О
������ [СН3–СН2–NH3]+ + ОН–
NH2+ Н2О
�������
NH2–СН2–СООН���H2O����
NH2 – CH2 – CO
O+ Н+
16
2) Данные вещества можно разделить реакциями с растворомКМnО4.
СН3–СН2–NH2 + КМnО4
���������
– реакция не идет
NH2 ����KMnO4[O]
NH2
OH
����
NH
O
O
O
+ NH3
– перманганат обесцвечивается.
NH2–СН2–СООН���KMnO4
H2O NH3 + CO
OHC
O
OH ����[O]t 2СО2↑ + Н2О
Вопрос № 14Составьте конспект ответа, характеризующего этиламин,
анилин и аминоэтановую кислоту (III, с. 22-23).
Ответ:Общая
характеристикавещества
Характеристикаэтиламина
Характеристикаанилина
Характеристикааминоэтановой
кислоты
1. Молекулярнаяформула
CH3–CH2–NH2
(C2H7N)
NH2
(C2H7N)
NH2–CH2–COOH(C2H7N)
2. Структурнаяформула
H C C
H
H
N
H
H
H
H C C
CC
C
C
H
H
N
H
HH
H
H
CCN
H
H
H
H
O
O H
17
3. Электроннаяформула C
���
������
HH
H
H
C
���
H
H
N
���
��� �� ���������
HC
C
C
CC
C
�������
����
�������
��
����
H�����
����H
H
����� H
��
H
��N
���� H�����
H
����
C
���
HC
������
H
H
N
������
��������� ���
H �����O
���� ������
���O��� �
����� H
4. Образованиесвязей
H
H
CH ����
������
��
HNC
H
H H���������
�����
������
H���
H
���
H
HC
C
CC
CC
H�����
�� ��H
NH
������
������O
HOC��� ���
H
H H
H
CN �������
���������
5. Нахождение вприроде
Выделяется пригниении рыбы – В белках
6. Получение а) Этиламин:CH3I + NH3
����t, p CH3–NH3I
CH3NH3I + NaOH ���
CH3NH2 + NaI + Н2Об) Анилин:
NO2����[H]
NH2
в) Аминоэтановая кислота:Cl–CH2–COOH + 2NH3
��� NH2–CH2–COOH +
NH4Cl7. Физическиесвойства газ, с запахом
аммиака, хорошорастворим
бесцветная мас-лянистая ядови-тая жидкость
бесцветные кри-сталлическиевещества, хоро-шо растворимыев воде; многие изних – сладкие.
18
8. Химическиесвойства
а) Этиламин:С2H5NH2 + CH3Cl
���С2H5NH2 + CH3Cl–
б) Анилин:1. NH2–CH2–COOH + KOH
������ NH2CH2COOK +
Н2О;COOH–CH2–NH2 + HCl ��� HOOC–CH2NH3
+Cl–
2. NH2–CH2–COOH + HOC2H5���
NH2C2H5O
OCH2 C + Н2О
3. NH2OH
OCH2 C
������� NH3
+–CH2–COO–
4. NH2–CH2–COOH + NH2–CH2–COOH���
NH3 CH2 C NH CH2 COOH
O
+ Н2О
в) Аминоэтановая кислотаNH2CH2COOH + KOH
��� NH2CH2COOK + Н2О
9. Применение Для синтезаразличных ве-ществ
Для красителей(различные цве-та). Исходныйпродукт дляразличных ле-карственныхвеществ, смол инекоторыхвзрывчатых ве-ществ
Для синтеза бел-ков в живых орга-низмах. Также ис-пользуется искус-ственное синтези-рование амино-кислоты. Иногдаиспользуется в ме-дицинских целях;для подкормкиживотных.
Вопрос № 15Пользуясь таблицей учебника (стр. 12–13), напишите уравне-
ния реакций, характеризующих основные химические свойства:а) одноатомных предельных спиртов; б) фенолов; в) альдегидов;г) одноосновных предельных карбоновых кислот; д) сложных эфи-ров; е) аминов; ж) аминокислот.
19
Ответ:а) Спирты.1) Реагируют с активными металлами с выделением водорода:
2СН3ОН + 2Na = 2CH3ОNa + H2↑
2) Окисляются в альдегиды или карбоновые кислоты
СН3–СН2–СН2–ОН + СuО���
tСН3– C
O
HCH2 + Cu + Н2О
СН3–СН2ОН + О2
����t, кат C
O
OHCH3 + Н2О
3) При взаимодействии с кислотами образуют сложные эфиры:
CO
OHCH3 + СН3–СН2–ОН
��������H2SO4, t
CO
O – CH2 – CH3
CH3 + Н2О
4) При действии галогеноводородов происходит замещениегидроксильной группы на атом галогена:
СН3–СН2–ОН + НCl ���H2SO4, tСН3–СН2–Cl + Н2О
5) При нагревании с концентрированной серной кислотой про-исходит дегидратация, при этом в зависимости от температуры об-разуются простые эфиры или алкены:
СН3–СН2–ОН����H2SO4, 200 °C СН2=СН2 + Н2О
2СН3–СН2–ОН���H2SO4, 120 °C СН3–СН2–О–СН2–СН3+ Н2О
б) Фенолы.1) Реагируют с активными металлами с выделением водорода
и образованием фенолятов:
20
2
OH
+ 2Nа ���
2
ONa
+ Н2
2) Реагируют со щелочами с образованием фенолятов:
OH
+ NаОН ����
ONa
+ Н2О
3) При действии брома происходит замещение атомов водоро-да в бензольном кольце на бром:
OH
+ 3Br2 ���
OHBrBr
Br
+ 3НBr
4) При действии азотной кислоты происходит замещение ато-мов водорода в бензольном кольце на нитрогруппы:
OH
+ 3HNO3
������t, H2SO4
OHNO2O2N
NO2
+ 3Н2О
в) Альдегиды.1) Окисляются в карбоновые кислоты, например, оксидом се-
ребра (I) или гидроксидом меди (II):
CO
HCH3 + Ag2O
���C
O
OHCH3 + 2Ag
21
CO
HCH3 + 2Cu(ОН)2
����C
O
OHCH3 + Сu2О + 2Н2О
2) Водородом восстанавливаются с образованием спиртов:
CO
HCH3 + Н2
����t, кат СН3–СН2–ОН
г) Предельные одноосновные кислоты.1) В водном растворе диссоциируют на ионы в небольшой сте-
пени (являются слабыми электролитами):СН3СООН = СН3СОО– + Н+
2) Реагируют с металлами, оксидами и гидроксидами металловс образованием солей:
2СН3СООН + Mg = (СН3СОО)2Mg + Н2↑
2СН3СООН + CaO = (СН3СОО)2Ca + Н2O
2СН3СООН + Ca(OH)2 = (СН3СОО)2Ca + 2Н2O
3) Реагируют с солями более слабых кислот:2СН3СООН + Na2СО3 = 2СН3СООNа + СО2 + Н2O
4) Реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров:
CO
OHCH3 + СН3–СН2–ОН
��������H2SO4, t C
O
O – CH2 – CH3
CH3 + Н2О
д) Сложные эфиры.1) В присутствии кислоты или щелочи гидролизуются:
CO
O – CH2 – CH3
CH3 + Н2О����H2SO4, t
CO
OHCH3 + СН3–СН2–ОН
22
CO
O – CH2 – CH3
CH3 + NаОН����
CO
ONaCH3 + СН3–СН2–ОН
2) Эфиры непредельных кислот проявляют типичные свойстваалкенов, например присоединяют бром:
CO
O – CH3
CHCH2 + Br2
��� CH2 – CH – C
O
O CH3|Br
|Br
3) Эфиры непредельных кислот также полимеризуются:
n CO
O – CH3
CHCH2
������ (– CH2 – CH –)n
|COOCH3
е) Амины.1) Проявляют основные свойства. При взаимодействии с водой
образуются гидроксид-ионы и ионы алкиламмония:СН3–NH2 + Н2O = СН3–NH3
+ + ОН–
2) Реагируют с кислотами с образованием солей:СН3–NH2 + НCl = СН3–NH3Сl
3) Горят с образованием оксида углерода (IV), воды и азота:4СН3–NH2 + 9О2 = 4СО2 + 10Н2O + 2N2
ж) Аминокислоты.1) Обладают амфотерными свойствами, реагируют как с осно-
ваниями, так и с кислотами:
CH2NH2 CO
OH+ NaOH
��CH2NH2 C
O
ONa+Н2О
23
CH2NH2 CO
OH+ HCl ��� CH2Cl
-NH3
+ CO
OH
2) При реакциях со спиртами образуют сложные эфиры:
CO
OH|
NH2
CH2 + CH3CH2OH ��� CO
OCH2CH3|
NH2
CH2 + Н2О
Задача № 1Найдите формулы веществ, массовые дали элементов в кото-
рых следующие: а) С – 0,7742, N – 0,1505, Н – 0,0753; б) С – 0,3871,N – 0,4516, Н – 0,1613. Изобразите структурные формулы этихвеществ и напишите их названия.
Решение:Чтобы перейти от массовых отношений элементов в веществе
к мольным соотношениям, нужно массовые отношения разделитьна относительные атомные массы элементов.
а)
n(С) : n(Н) : n(N) = ( ) ( ) ( )14
Nm:1Hm:
12Cm
Получим:
n(С) : n(Н) : n(N) = =141505,0:
10753,0:
127742,0
= 0,0645 : 0,0753 : 0,01075
Разделим полученные соотношения на 0,1075, получим:n(C) : n(H) : n(N) = 6 : 7 : 1.
Простейшая формула соединения C6H7N. Если считать, что онасоответствует истинной молекулярной формуле, то неизвестноевещество – анилин:
NH2
24
б)
n(С) : n(Н) : n(N) = ( ) ( ) ( )14
Nm:1Hm:
12Cm
Получим:
n(С) : n(Н) : n(N) = =144516,0:
11613,0:
123871,0
= 0,0323 : 0,1613 : 0,0323
Разделим полученные соотношения на 0,0323, получим:n(C) : n(H) : n(N) = 1 : 5 : 1.
Тогда простейшая формула соединения CH5N. В случае, еслиэто и есть истинная формула, ей соответствует метиламин CH3–NH2.
Ответ: а) анилин; б) метиламин.
Задача № 2При восстановлении 250 г нитробензола получили 150 г анили-
на. Вычислите, сколько это составляет процентов по сравнению стеоретическим выходом.
Решение:Уравнение реакции:
NO2����Fe, HCl
[H]
NH2
Молекулярная формула нитробензола С6Н5NO2. Вычислим мо-лярную массу нитробензола:
М(С6Н5NO2) = 12 · 6 + 1 · 5 + 14 + 16 · 2 = 123 г/моль.
Вычислим количество вещества нитробензола:
( ) ( )( ) моль03,2
моль/г123г250
NOHCMNOHCm
NOHC256
256256 ≈==ν
По уравнению реакции из 1 моль нитробензола получается 1моль анилина, значит из 2,03 моль нитробензола при теоретиче-ском 100%-ном выходе должно получиться 2,03 моль анилина.νтеор(С6Н7N) = 2,03 моль.
25
Молекулярная формула анилина С6Н7N. Вычислим молярнуюмассу анилина:
М(С6Н7N) = 12 · 6 +1 · 7 + 14 = 93 г/моль.
Вычислим количество вещества практически полученногоанилина:
( ) ( )( ) моль61,1
моль/г93г150
NOHCMNHCm
NHC76
7676практ ≈==ν
Вычислим выход анилина:
( ) ( )( ) %79%100
моль03,2моль61,1
NHСNHС
NHСвыход76теор
76практ76 =⋅=
ν
ν=
Ответ: выход анилина равен 79%.
Задача № 3Сколько граммов нитробензола можно получить из 312 г бен-
зола, если массовая доля выхода составляет 0,75, или 75%, посравнению с теоретическим?
Решение:Уравнение реакции:
+ НNО3����H2SO4
NO2
+ Н2О
Молекулярная формула бензола C6H6. Вычислим молярнуюмассу бензола:
М(C6H6) = 12 · 6 + 1 · 6 = 78 г/моль
Вычислим количество вещества бензола:
( ) ( )( ) моль4
моль/г78г312
HCMHCm
HC66
6666 ===ν
По уравнению реакции из 1 моль бензола образуется 1 мольнитробензола, значит из 4 моль бензола при теоретическом 100%-ном выходе получилось бы 4 моль нитробензола. Но выход равен75%, или 0,75, от теоретического, поэтому практически получится
26
0,75 · 4 моль = 3 моль нитробензола. Молекулярная формула нит-робензола С6Н5NO2. Вычислим молярную массу нитробензола:
M(С6Н5NO2)= 12 · 6 + 1 · 5 + 14 + 16 · 2 = 123 г/моль.
Вычислим массу нитробензола:m(С6Н5NO2) = ν(С6Н5NO2) · M(С6Н5NO2) = 3 моль · 123 г/моль = 369 г.
Ответ: можно получить 369 г нитробензола.
Задачи к §3 (стр. 17)
Вопрос № 1Поясните, какие соединения относятся к гетероциклическим.
Приведите примеры и напишите их формулы и названия.
Ответ:К гетероциклическим соединениям относятся вещества, в мо-
лекулах которых есть циклы, в состав которых кроме атомов угле-рода входят и атомы других элементов. Примеры гетероцикличе-ских соединений:
CH
CH
CH
N
HC
HC
CH
CH
CH
N
N
HC
пиридин пиримидин
HC CH
HC CHNH
HC CH
HC CHO
HC CH
HC CHS
пиррол фуран тиофен
27
Вопрос № 2Составьте структурные формулы важнейших азотсодер-
жащих гетероциклических соединений, в том числе с конденсиро-ванными кольцами.
Ответ:Формулы пиррола, пиридина и пиримидина приведены в отве-
те на вопрос 1. 3десь приведены формулы гетероциклов с конден-сированными кольцами – индола и пурина.
CH
C
C C
HC
HC
CH
CH
NH H H
N
CH
N
HC
N
N C
C
CH
индол пурин
Вопрос № 3Назовите известные вам производные пиримидина и пурина,
участвующие в образовании молекул нуклеиновых кислот. Напи-шите их структурные формулы и по аналогии с аминами охарак-теризуйте их свойства.
Ответ:Производные пурина:
HN
CH
N
C
N
N C
C
C H
H2N
O
HN
CH
N
HC
N
N C
C
C NH2
гуанин аденин
Производные пиримидина:
28
C
HN
N
CH
C
O
CH3
H
OC
N
N
CH
C
NH2
H
O
CH
тимин цитозин
Производные пурина и пиримидина так же, как и амины,проявляют основные свойства и при реакциях с кислотами об-разуют соли.
Вопрос № 4Исходя из приведенной структурной формулы вещества, ра-
дикал которого входит в состав нуклеиновых кислот, поясните,из каких двух вам известных веществ оно образовано Назовитеэти соединения и напишите их структурные формулы.
NH2
C
C
C N
N
C
N
C
N
H|C – |
HO
H
H|C |
OH|C
O
H
C |
C
C – H
O – H
H –|
H
H
Ответ:Вещество образовано из радикалов аденина и дезоксирибозы:
29
HN
CH
N
HC
N
N C
C
C NH2
H|C – |
HO
H
H|
C |
H
OH|
C |
O
H
C |
C
C – H
O – H
H –|
аденин дезоксирибоза
Глава XII. Белки и нуклеиновые кислоты
Задачи к §§1, 2 (стр. 24)
Вопрос № 1Какие элементы входят в состав белков? Охарактеризуйте
строение белковых молекул.
Ответ:Белковые молекулы имеют сложное строение. Они состоят из
различных аминокислотных остатков (наиболее распространенных20 аминокислот), соединенных пептидными связями.
Белки различаются по структуре: первичная, вторичная, тре-тичная, четвертичная структуры.
B состав любого белка входят углерод, водород, азот и кисло-род. Кроме того, часто в состав белков входит сера.
Вопрос № 2Какие группы атомов и типы связей наиболее характерны для
большинства белковых молекул?Ответ:Все белки состоят из остатков аминокислот, соединенных ме-
жду собой пептидными группами. Все белки являются полипепти-дами, то есть состоят из большого числа остатков аминокислот.Простейшим примером образования пептида является реакция ме-
30
жду двумя молекулами глицина (аминоуксусной кислоты), в ре-зультате которой получается дипептид глицилглицин:
CO
OH|
NH2
CH2 + CO
OH|
NH2
CH2 ���
CH2|
NH2
CO
NH CH2 CO
OH
+ Н2О
1. Пептидная связь возникает между аминогруппой однойаминокислоты и карбонильной группой другой. Благодаря пептид-ной связи в белках образуется пептидная цепь (последовательностьаминокислотных звеньев)
2. Водородная связь образуется между группами –СО– и–NH–. Благодаря водородной связи белковые молекулы имеютпространственную конфигурацию. Такая структура белка назы-вается вторичной.
3. Также есть другие виды связей:дисульфидный мостик (–S–S–) между атомами S, между кар-
боксильной и гидроксильной группами – сложноэфирный мостик,между карбоксильной и аминогрупой иногда возникает солевоймостик.
Вопрос № 3Где белки встречаются в природе и каково их значение?
Ответ:Белки входят в состав клеток, тканей всех живых организмов,
являются основной частью нашей пищи. Белок – высшая формаразвития органических веществ. В нем объединены признаки раз-ных классов органических соединений, что в своем сочетании даетсовершенно новые качества, выполняющие большую роль в жиз-ненных процессах организма. Например, гемоглобин присоединяети транспортирует кислород в организме, инсулин регулирует со-держание сахара в крови.
31
Вопрос № 4Опишите физические и химические свойства белков.
Ответ:Физические свойства. Белки – твердые вещества. Они быва-
ют как растворимы, так и нерастворимы в воде. Белки очень частообразуют коллоидные растворы.
Химические свойства. При слабом нагревании водных рас-творов белков происходит денатурация. При этом образуетсяосадок.
При нагревании белков с кислотами происходит гидролиз, приэтом образуется смесь аминокислот.
Вопрос № 5Как можно доказать наличие белков в продуктах питания,
шерстяных и шелковых тканях?
Ответ:Белки можно обнаружить при действии азотной кислоты: при
этом возникает ярко-желтая окраска.
Вопрос № 6Сколько различных трипептидов может образоваться при
сочетании трех аминокислот (по выбору)? Составьте уравнениясоответствующих реакций.
Ответ:Если обозначить три различных аминокислоты буквами А, В и
С, то можно изобразить шесть возможных сочетаний:АВС АСВ ВАС ВСА CAB CBA
Приведем в качестве примера уравнение реакции образованиятрипептида глицилаланилвалина из глицина (аминоуксусной ки-слоты), аланина (2-аминопропионовой кислоты) и валина (3-ме-тил-2-аминомасляной кислоты):
32
CO
OH|
NH2
CH2 + CH|
NH2
CO
OH
CH3 + CH|NH2
CO
OH
CHCH3|
CH3
���
глицин аланин валин
CH2|NH2
CO
O NH CH
CH3
CO
O NH CH
CHH3C CH3
CO
OH
+ Н2О
глицилаланилвалин
Вопрос № 7Какие вещества образуются при гидролизе белков в организ-
ме? Дайте общую характеристику роли белков в процессах жиз-недеятельности человека и животных.
Ответ:При гидролизе белков в процессе пищеварения в организме
образуются аминокислоты. Из образующихся аминокислот вклетках организма синтезируются другие белки, необходимыедля роста и размножения клеток. Белки являются, таким обра-зом, «строительным материалом» для организма. Кроме того,образующиеся при гидролизе белков аминокислоты частичноокисляются с образованием в конечном счете оксида углерода(IV), воды и мочевины.
Вопрос № 8В чем состоят трудности синтеза белков? Как химики в на-
стоящее время решают эту проблему? Какие в этой областиимеются достижения и какие практические задачи предлагаютрешить ученые в ближайшее будущее?
33
Ответ:Основная трудность в синтезе белков заключается в том, что в
молекулы даже самых простых белков входят сотни остатков ами-нокислот, а в большинстве природных белков число аминокислотсоставляет несколько тысяч. Белки синтезируют из аминокислот,«пришивая» аминокислоты одну за другой к одному из концов мо-лекулы. При синтезе белка необходимо провести несколько тысячтаких реакций. 3десь нужно преодолеть две основные проблемы,вызванные очень большим числом последовательных стадий:
1) После каждой реакции необходимо получить абсолютночистый продукт, образующийся в результате «пришивки» очеред-ной аминокислоты, не содержащий примеси исходного вещества.Если очистить продукт реакции недостаточно тщательно, то при-меси будут накапливаться на каждой стадии, и в результате вместоодного белка получится очень сложная смесь белков разного со-става, разделить которую на компоненты невозможно.
2) При очень большом числе последовательных стадий выходпродуктов реакции оказывается очень маленьким. На практике вы-ход почти никогда не бывает равен 100%. Если выход на каждойстадии равен, например, 90% или 0,9, то выход в 100-стадийномсинтезе был бы равен (0,9)20 = 0,00002, или 0,002%. А при синтезев 1000 стадий выход был бы равен 10-46%!
Вопрос № 9Как ученым удалось установить состав нуклеиновых кислот?
Ответ:Состав нуклеиновых кислот установлен с помощью гидролиза.
(Нуклеиновые кислоты являются полимерами, состоящими измножества нуклеотидов, по свойствам которых определяется со-став всей цепочки).
Вопрос № 10Охарактеризуйте строение нуклеотидов и отдельных звеньев
РНК и ДНК.
34
Ответ:Нуклеотиды состоят из остатка фосфорной кислоты и нуклео-
зида, нуклеозид состоит из азотистого основания и дезоксирибозыили рибозы. Образуют полимерную цепь. Схематически это можнопоказать так:
... (дезокси)рибоза
остатокортофосфорной
кислотыостаток
гетероцикл.основания
...
(дезокси)рибоза
...
РНК – нуклеиновые кислоты, содержащие остатки рибозы.ДНК – нуклеиновые кислоты, содержащие остатки дезокси-
рибозы.
Вопрос № 11Какова роль ДНК и РНК в биохимических процессах, проте-
кающих в организме человека? Какова роль нуклеиновых кислот врегулировке механизма наследственности?
Ответ:Нуклеиновые кислоты – важнейшие компоненты всех живых
клеток. Эти вещества регулируют передачу наследственных при-знаков в ряду поколений. Им принадлежит ведущая роль в процес-се биосинтеза белков. ДНК несет в себе генетическую информа-цию, РНК служит для временного хранения, переноса информации
Вопрос № 12В состав каких вам известных нуклеиновых кислот входят ра-
дикалы следующих веществ:
H|C – |
HO
H
H|
C |
H
OH|
C |
O
H
C |
C
C – H
O – H
H –|
H|C – |
HO
H
OH|
C |
H
OH|
C |
O
C |
C
C – H
O – H
H –|
NH2
C
C
C N
N
C
N
C
N
H
H
H
35
Ответ:Первое из веществ – рибоза, второе – дезоксирибоза, третье –
аденин. Рибоза входит в состав РНК, дезоксирибоза – в составДНК. Аденин входит в состав как РНК, так и ДНК.
Вопрос № 13В чем заключается сущность комплементарности?
Ответ:Молекулы нуклеиновых кислот состоят из двух полинуклео-
тидный цепочек, которые соединены водородными связями. Водо-родные связи возникают между радикалами гетероциклическихоснований, причем всегда соблюдается следующее правило: тиминвсегда соединен с аденином, а цитозин – с гуанином. Эта законо-мерность и составляет сущность комплементарности.
Глава XIII. Синтетические высокомолекулярныевещества и полимерные материалы на их основе
Задачи к §1 (стр. 31)
Вопрос № 1Какие вещества относятся к высокомолекулярным соединени-
ям, а какие – к мономерам и полимерам? На конкретных примерахпоясните, чем отличается строение их молекул.
Ответ:Высокомолекулярные соединения – соединения, молекулы ко-
торых состоят из весьма большого числа повторяющихся (точноили приближенно) одинаковых звеньев. ВМС – соединения с мо-лекулярной массой выше 5000 а.е.м. Высокомолекулярные соеди-нения называют также полимерами. Полимеры образуются в ре-зультате присоединения друг к другу многих молекул исходныхвеществ. Эти вещества называются мономерами. Например, из мо-номера этилена образуется полимер – полиэтилен:
n СН2=СН2
��������кат.
(–СН2–СН2–)n
36
Из мономера стирола (винилбензола) образуется полимер по-листирол:
CHnCH2���
t, кат (– CH2 – CH–)n
Вопрос № 2Поясните, что такое «структурное звено» и «степень поли-
меризации».
Ответ:Структурным звеном называется повторяющаяся группа ато-
мов в молекуле полимера. Например, в полистироле структурнымзвеном является группа:
– CH2 – CH –
Число структурных звеньев в молекуле полимера называетсястепенью полимеризации. Очевидно, что степень полимеризацииравна числу молекул мономера. Степень полимеризации в любомполимере не является постоянной величиной. В формулах полиме-ров степень полимеризации обозначается буквой n.
Вопрос № 3На конкретном примере покажите возможность образования
полимера со стереорегулярным и стереонерегулярным строением.
Ответ:Рассмотрим возможность образования полимеров различного
строения на примере поливинилхлорида. В молекуле полимера со-держатся атомы хлора. Они могут быть расположены по разному.Атомы хлора могут быть расположены строго регулярно по однусторону полимерной цепи:
37
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
Такой полимер называется стереорегулярным, или изотак-тическим.
Атомы хлора могут быть также направлены в разные стороныи при этом строго чередоваться через один:
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
Такой полимер также является стереорегулярным и называетсясиндиотактическим.
Наконец, атомы хлора могут быть направлены беспорядочно вразные стороны. Такой полимер называется стереонерегулярным,или атактическим.
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
CH2 CH
Cl
Вопрос № 4Охарактеризуйте процесс получения полиэтилена и полипро-
пилена в промышленности. Составьте уравнения соответствую-щих реакций.
Ответ:Полиэтилен получают полимеризацией этилена в присутствии
катализатора при повышенной температуре и давлении.
n СН2=СН2
��������кат.
(–СН2–СН2–)n
Аналогично получают полипропилен из пропилена:
n СН2=СН–СН3
����кат.
(–СН2–СН–)n|
CH3
38
Вопрос № 5Опишите свойства полиэтилена, полипропилена и тефлона.
Где они применяются?
Ответ:Полиэтилен – твердый материал, полупрозрачный, бесцвет-
ный, легче воды, при нагревании размягчающийся. Свойства силь-но зависят от способа его получения. Так называемый полиэтиленнизкого давления имеет большую плотность и температуру плав-ления, а также более высокую прочность, чем полиэтилен высоко-го давления. Полиэтилен устойчив к действию кислот и щелочей,поэтому он применяется для изготовления различных частей хи-мического оборудования, некоторой лабораторной посуды. Из по-лиэтиленовой пленки изготовляют различную упаковку.
Полипропилен похож по свойствам на полиэтилен, но облада-ет более высокой прочностью и температурой плавления. Поли-пропилен применяют так же, как и полиэтилен.
Тефлон представляет собой политетрафторэтилен (–CF2–CF2–)n,получаемый полимеризацией тетрафторэтилена CF2=CF2. Тефлон об-ладает очень высокой химической стойкостью (не реагирует с кон-центрированными кислотами и щелочами даже при нагревании). По-этому из тефлона изготовляют детали химической аппаратуры. Теф-лон применяют также для изготовления антипригарных покрытий длякухонной посуды.
Вопрос № 6Составьте уравнения реакций, в которых образуются поливи-
нилхлорид, полистирол, полиметилметакилат. Где применяютсяэти полимеры?
Ответ:Поливинилхлорид получают при полимеризации винилхло-
рида:nСН2=СНCl
���
|Cl
(– CH2– CH –)n
Винилхлорид применяют для изготовления искусственной ко-жи, линолеума, изоляции для электропроводов.
39
Полистирол получают при полимеризации стирола (винилбен-зола):
CHnCH2���
t, кат (– CH2 – CH–)n
Из полистирола делают различные бытовые изделия, а такжепенопласт, применяемый как упаковочный материал.
Полиметилметакрилат получают при полимеризации метилме-такрилата – метилового эфира метакриловой (2-метилпропеновойкислоты):
CO
O CH3
nCH2 C –|CH3
������ ( CH2 C )n
CH3
COOCH3
Из полиметилметакрилата делают органическое стекло. Вотличие от обычного стекла, оно пропускает ультрафиолетовыелучи.
Вопрос № 7На конкретных примерах поясните, чем отличаются реакции
поликонденсации от реакций полимеризации.
Ответ:При реакциях полимеризации из многих молекул мономера
образуются молекулы полимера. Примером реакции полимериза-ции может служить получение полистирола из стирола:
CHnCH2���
t, кат (– CH2 – CH–)n
Никаких больше веществ при этом не образуется. При реакци-ях поликонденсации из исходных веществ образуются не толькомолекулы полимера, но также выделяются другие вещества (обыч-
40
но вода). Примером реакции поликонденсации может служить об-разование капрона из аминокапроновой кислоты:
nH2N (CH2)5 C OH
O
���N (CH2)5 C )n
O
(
H+ nН2О
Вопрос № 8В чем сущность процесса образования фенолформальдегидной
смолы? Какие фенопласты из нее получаются?
Ответ:При образовании фенолформальдегидной смолы происходит
поликонденсация фенола с формальдегидом. Вначале происходитобразование промежуточного соединения:
OH+ Н–C
O
H
����
CH2OH
OH
3атем происходит собственно поликонденсация:
CH2OH
OH
+OH ��
OH
CH2
OH
+ Н2О
Далее эти реакции повторяются и образуются полимеры ли-нейного или разветвленного строения:
OH
CH2CH2
OHOH
41
OH
CH2CH2
CH2
OH
OHOH
При смешивании фенолформальдегидной смолы с различныминаполнителями (хлопковое волокно, отходы ткани, бумага, стекло-волокно) получают фенопласты – текстолит, гетинакс, карболит.
Вопрос № 9Какие полимеры называют термопластическими, а какие –
термореактивными? Приведите примеры.
Ответ:Полимеры, которые при повышении температуры размягчают-
ся, а при охлаждении снова становятся твердыми, называются тер-мопластичными. Примером термопластичных полимеров являютсяполиэтилен или фенолформальдегидная смола:
Полиэтилен: (–СН2–СН2–)n
Фенолформальдегидная смола:
OH
CH2CH2
CH2
OH
OHOH
42
В молекулах фенолформальдегидной смолы остаются еще сво-бодные гидроксильные группы. При сильном нагревании разныемолекулы фенолформальдегидной смолы реагируют друг с дру-гом, при это выделяется вода и образуется резит – материал, неразмягчающийся при нагревании. Полимеры, не размягчающиесяпри нагревании, называются термореактивными.
Задачи к §§2, 3 (стр. 36)
Вопрос № 1Поясните, кем и когда впервые в мире был разработан метод
производства синтетического каучука. Составьте уравнения.
Ответ:Впервые синтетический каучук был получен С.В. Лебедевым в
Советском Союзе в 1932 году. Из этилового спирта в присутствиикатализаторов образуется 1,3-бутадиен:
2СН3–СН2–ОН
������t, кат СН2=СН–СН=СН2 + 2Н2О + Н2
При полимеризации бутадиена получается синтетическийкаучук.
CH2=CH–CH=CH2
������t, кат (–СН2–СН=СН–СН2–)n
Вопрос № 2Для получения бутадиенового и дивинилового каучуков исполь-
зуется один и тот же мономер. Поясните, почему эти каучукиотличаются по своим свойствам.
Ответ:И бутадиеновый, и дивиниловый каучук получают при поли-
меризации 1,3-бутадиена.
CH2=CH–CH=CH2���t, кат (–СН2–СН=СН–СН2–)n
Но бутадиеновый каучук имеет нерегулярное строение, а ди-виниловый каучук – стереорегулярное строение. Поэтому дивини-ловый каучук имеет большую эластичность, чем бутадиеновый, ипо свойствам приближается к природному.
43
Вопрос № 3Составьте уравнение образования хлоропренового каучука из
2-хлор-1,3-бутадиена.Ответ:
nСН2=С–СН=СН2
��� (–СН2=С–СН=СН2–)n
| |Cl Cl
Вопрос № 4Охарактеризуйте известные вам синтетические каучуки и
поясните, для каких технических целей они применяются.
Ответ:1) Бутадиеновый каучук представляет собой полимер 1,3-
бутадиена нерегулярного строения.(–СН2–СН=СН–СН2–)n
Применяется для изготовления бытовых изделий, подошв дляобуви.
2) Дивиниловый каучук так же, как и бутадиеновый, образует-ся при полимеризации 1,3-бутадиена, но имеет стереорегулярноестроение.
(–СН2–СН=СН–СН2–)n
Применяется для производства шин.3) Изопреновый каучук является полимером изопрена – 2-
метил-1,3-бутадиена и по составу и свойствам соответствует при-родному каучуку. Так же, как и дивиниловый каучук, применяетсяв производстве шин.
( CH2 C CH
CH3
CH2 )n
4) Хлоропреновый каучук представляет собой полимер хлоро-прена – 2-хлор-1,3-бутадиена.
( CH2 C CH
Cl
CH2 )n
Обладает высокой устойчивостью к действию масла и бензина,а также устойчив к действию высоких и низких температур. По-
44
этому применяется для изготовления различных шлангов для ав-томобилей и другой техники.
5) Бутадиенстирольный каучук образуется при совместной по-лимеризации 1,3-бутадиена и стирола (винилбензола). Он обладаетвысокой газонепроницаемостью, поэтому используется для произ-водства автомобильных камер.
Вопрос № 5Чем отличаются каучуки от резины?
Ответ:Резину получают из каучука в результате вулканизации – об-
работки серой при нагревании. В процессе вулканизации макромо-лекулы каучука «сшиваются» между собой «мостиками» из серы.Каучук размягчается при нагревании, а при охлаждении становит-ся хрупким. Под действием органических растворителей каучукразмягчается и разбухает. Резина же остается упругой и при высо-ких, и при низких температурах, и гораздо устойчивее к действиюрастворителей.
Вопрос № 6Какие условия следует соблюдать при долгом хранении авто-
камер, шин, резиновых трубопроводов и других изделий? Почему?
Ответ:При хранении резиновые изделия следует защищать от сол-
нечного света, а также от высоких температур. Если не соблюдатьэти условия, резина становится непрочной. Это объясняется тем,что в молекулах всех каучуков есть двойные связи. При взаимо-действии с кислородом воздуха происходит постепенное окисле-ние по двойным связям. Действие солнечного света и высокойтемпературы ускоряет этот процесс.
Вопросы № 7–8Какие основные виды волокон вам известны? Приведите при-
меры. Чем отличаются искусственные волокна от синтетиче-ских? Приведите примеры
45
Ответ:Волокна делятся на природные и химические. К природным
волокнам относят волокна растительного происхождения (хлопко-вое, льняное) и животного (шерсть, шелк). Химические волокнаделятся на искусственные (полученные при химической перера-ботке сырья растительного или животного происхождения), и син-тетические (получаемые в результате органического синтеза).Примером искусственного волокна может служить ацетатныйшелк, получаемый из целлюлозы, содержащейся в древесине.Примеры синтетических волокон – капрон, или нейлон, получае-мые при поликонденсации аминокапроновой кислоты, или лавсан,получаемый при поликонденсации этиленгликоля и фталевой ки-слоты:
N (CH2)5 C )n
O
(
H
капрон
( C
O
C O
O
CH2 CH2 )n
лавсан
Вопрос № 9Назовите наиболее известное вам полиамидное волокно. Оха-
рактеризуйте свойства и получение этого волокна.
Ответ:Наиболее широко применяется капрон, получаемый при поли-
конденсации аминокапроновой (6–аминогексановой кислоты).
nH2N (CH2)5 C OH
O
��� N (CH2)5 C )n
O
(
H+ nН2О
Полученный полимер является термопластичным, то есть раз-мягчается при нагревании. В нагретом виде его пропускают поддавлением через маленькие отверстия – фильеры и получают тон-
46
кие нити. Капроновое волокно намного прочнее хлопкового илильняного, однако неустойчиво при нагревании.
Вопрос № 10Составьте уравнения окисления п-ксилола. Для каких целей
используется продукт реакции?
Ответ:При окислении п-ксилола образуется терефталевая кислота:
CH3
CH3
+3О2
����кат.
COOH
COOH
+ 2Н2О
Терефталевую кислоту используют для производства лавсана:
n
COOH
COOH
+ nHO–CH2–CH2–OH���
( C
O
C O
O
CH2 CH2 O )n + 2nН2О
Вопрос № 11По какому признаку лавсан относят к полиэфирным волок-
нам?
Ответ:Лавсан является полимерным сложным эфиром этиленгликоля
и терефталевой кислоты:
47
( C
O
C O
O
CH2 CH2 O )n
Вопрос № 12Каковы характерные свойства лавсана? Где его применяют?Ответ:Лавсановое волокно по свойствам напоминает шерсть, но об-
ладает гораздо большей прочностью и устойчивостью к действиюсвета и влаги. Из лавсанового волокна делают трикотажные ткани.Кроме того, из лавсана делают пленку, применяемую для изготов-ления магнитофонной ленты.
Глава XIV. Обобщение знаний по курсуорганической химии
Задачи к §§1-5 (стр. 53)
Вопрос № 1Кроме примеров, указанных в параграфе, приведите еще два-
три примера, подтверждающих каждое из предположений тео-рии А.М. Бутлерова.
Ответ:1) Все атомы, входящие в молекулы органических веществ, со-
единены в определенной последовательности.Очевидно, что для любого вещества можно изобразить струк-
турную формулу. Нарисуем структурные формулы этана, пропи-лена и бензола:
СН3–СН3 СН3–СН=СН2
СH
СHСH
СH
СHСH
этан пропилен бензол
48
2) Свойства веществ зависят не только от состава (то есть оттого, какие атомы входят в состав молекулы), но и от строения (тоесть от того, как именно они соединены).
Несколько веществ с одинаковой молекулярной формулой мо-гут иметь различное строение. Например, формуле C3H8O соответ-ствует три изомера – пропанол-1, пропанол-2 и метилэтиловыйэфир:
СН3–СН2–СН2– ОН CH3 – CH – CH3|
OH
СН3–СН2–О– СН3
пропанол-1 пропанол-2 метилэтиловый эфир
Формуле C2H7N соответствуют этиламин и диметиламин:
СН3–СН2–NН2 CH3 NH
CH3
этиламин диметиламин
3) По свойствам вещества можно объяснить его строение, а построению – предвидеть свойства.
Например, карбоновые кислоты содержат карбоксильнуюгруппу, и можно предвидеть, что атом водорода карбоксильнойгруппы будет замещаться на атом металла при реакции с основа-ниями. С другой стороны, если известен факт, что карбоновые ки-слоты реагируют с основаниями, это можно объяснить присутст-вием в молекуле карбоксильной группы.
В молекулах алкенов есть двойная связь. Присоединение к ал-кенам брома объясняется именно наличием в молекуле двойнойсвязи. С другой стороны, если в молекуле есть двойная связь, томожно предвидеть, что вещество будет реагировать с бромом.
4) Атомы и группы атомов в молекулах влияют друг на друга.В молекуле фенола происходит смещение электронов от атома
кислорода к бензольному кольцу, и вследствие этого электроныатома водорода в большей степени смещаются к атому кислорода.Связь между атомами водорода и кислорода становится более по-лярной и поэтому разрывается легче, чем в спиртах. Атом водоро-да в фенолах легче замещается на металл, чем в спиртах, то естьявляется более подвижным.
49
Хлоруксусная кислота сильнее, чем уксусная кислота. Элек-троотрицательность атома хлора выше, чем атома углерода. По-этому хлор оттягивает на себя электроны, участвующие в образо-вании химической связи между атомами хлора и кислорода. Этотэффект смещения электронной плотности передается по цепочкехимических связей к ОН-группе. В результате связь О–Н в карбок-сильной группе становится более полярной и поэтому легче раз-рывается. В результате хлоруксусная кислота диссоциирует на ио-ны легче, чем уксусная кислота, то есть является более сильнойкислотой.
Вопрос № 2В чем сущность правила В.В. Марковникова с точки зрения со-
временных электронных представлений?
Ответ:Чтобы понять сущность правила Марковникова, нужно знать
механизм присоединения галогеноводородов к двойной связи.Вначале происходит присоединение иона Н+, при этом образуетсятак называемый карбокатион. 3атем к образовавшемуся карбока-тиону присоединяется ион Сl–:
СН2=СН2 + H+ ����СН3–СН2
+
CH3–CH2+ + Сl–
���СН3–CH2–Cl
В молекуле пропилена первоначально ион Н+ может присоеди-няться либо к первому, либо ко второму атому углерода. При этомобразуются различные карбокатионы:
CH2 CH CH3+H+
����
����
CH2 CH2 CH3
CH3 CH CH3
+
+
Второй из нарисованных катионов более устойчив. Дело втом, что к атому углерода с положительным зарядом присоеди-нены два метильных радикала, которые обладают свойствомувеличивать электронную плотность (являются донорами элек-тронов). Они уменьшают положительный заряд на атоме угле-рода, делая карбокатион более устойчивым. Поскольку второй
50
карбокатион более устойчив, чем первый, он и присоединяетион Сl–. В результате образуется 2-хлорпропан СН3–СНCl–СН3.Таким образом, выполняется правило Марковникова: атом гало-гена присоединяется к тому атому углерода, с которым соеди-нено меньше атомов водорода.
Вопрос № 3Составьте формулы двух-трех непредельных углеводородов,
имеющих одну и ту же молекулярную формулу, но отличающихсястроением углеродной цепи. В качестве примеров используйте уг-леводороды ряда этилена и ряда ацетилена.
Ответ:1) Углеводороды ряда этилена: бутен-1 (бутилен) и 2-метил-
пропен (изобутилен):
СН3–СН2–СН=СН2
CH3 C CH2
CH3
бутен-1 2-метилпропен
2) Углеводороды ряда ацетилена: пентин-1 и 3-метилбутин-1:
СН3–СН2–СН2–С≡СНCH3 CH C CH
CH3
пентин-1 3-метилбутин-1
Вопрос № 4Составьте структурные формулы всех соединений, молеку-
лярная формула которых С4Н9Сl. Назовите эти вещества и пояс-ните, к какому виду изомерии они относятся.
Ответ:
СH3–СH2–СH2–СH2–ClCH3 CH2 CH Cl
CH3
1-хлорбутан 2-хлорбутан
51
CH3 CH CH2 Cl
CH3CH3 C
CH3
CH3
Cl
1-хлор-2-метилпропан 2-хлор-2-метилпропан
В молекулах изомеров проявляется и изомерия положенияатома хлора, и изомерия углеродного скелета.
Вопрос № 5Даны попарно формулы следующих веществ:
CH3 – CH – CH3|
OH
СН3–СН2–СН2– ОН
CH3 CH2 C C
CH3
NH2
O
OHNH2 CH2 CH CH2
CH3
CO
OH
Подпишите их названия и определите вид изомерии.
Ответ:а)
CH3 – CH – CH3|
OH
СН3–СН2–СН2– ОН
пропанол-1 пропанол-2
Это изомерия положения гидроксильной группы.б)
CH3 CH2 C C
CH3
NH2
O
OHNH2 CH2 CH CH2
CH3
CO
OH
2-метил-2-аминобутановая кислота 3-метил-4-аминобутановая кислота
3десь наблюдается одновременно два вида изомерии: изомерияуглеродного скелета и изомерия положения аминогруппы.
52
Вопрос № 6На конкретных примерах докажите, что свойства веществ
зависят от электронной природы химических связей.
Ответ:В качестве примера рассмотрим этан и этилен. В молекуле
этана атомы углерода связана одной связью. Это σ-связь, обра-зующаяся при перекрывании гибридных sp3-орбиталей атома угле-рода. σ-Связь в молекуле этана очень устойчива, она разрывается сбольшим трудом. В этилене атомы углерода соединены двойнойсвязью. Одна из этих связей – σ-связь, образующаяся при пере-крывании sp2-орбиталей атома углерода. Вторая связь – π-связь,образующаяся при перекрывании негибридных р-орбиталей атомауглерода. σ-Связь легко разрывается при присоединении к этиленуброма или при окислении этилена перманганатом калия.
СН2=СН2 + Br2 = СН2Br–СН2Br
СН2=СН2KMnO4, Н2О�� CH2 – CH2
|OH
|OH
Вопрос № 7Поясните, от каких основных факторов зависит прочность
химической связи.
Ответ:Прочность химических связей зависит от формы электронных
облаков и от способа их перекрывания. Примером связей с различ-ной прочностью могут служить σ- и π-связи в молекулах этана иэтилена. σ-Связь образуется при перекрывании электронных обла-ков по линии, соединяющей ядра обоих атомов. π-Связь образует-ся при перекрывании электронных облаков вне этой линии.
Вопрос № 8Используя второй форзац из учебника «Химия-10», составьте
уравнения химических реакций, отражающих генетические связимежду важнейшими классами органических соединений.
53
Ответ:Предельные углеводороды образуются при гидрировании эти-
леновых углеводородов, ацетиленовых углеводородов и циклопа-рафинов:
СН2=СН–СН3 + Н2
����Ni, tСН3–СН2–СН3
СН≡С–СН3 + 2Н2
���Ni, t
СН3–СН2–СН3
CH2
CH2
CH2
CH2
H2C
H2C
�� H2, Pt
СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3
Этиленовые углеводороды образуются при:1) Дегидрировании алканов
СН3–СН2–СН3
��������Ni, t
СН2=СН–СН3 + H2
2) Гидрировании ацетиленовых или диеновых углеводородов
СН≡С–СН3 + Н2
��������Ni, t
СН2=СН–СН3
СН2=СН–СН=СН2 + Н2
��������t, кат СН2=СН–СН2–СН3
3) Дегидратации спиртов
СН3–СН2–ОН��������H2SO4, 200 °C СН2=СН2 + Н2О
Ацетиленовые углеводороды можно получить при дегидриро-вании алканов или алкенов:
СН3–СН2–СН3���Ni, t
СН≡С–СН3 + 2H2
СН3=СН–СН3����Ni, t
CH≡C–СН3 + H2
Диеновые углеводороды можно получить:1) Дегидрированием алкенов
СН2=СН–СН2–СН3���t, кат CH2=CH–CH=CH2 + Н2
2) Одновременным дегидрированием и дегидратацией спиртов:
2СН3–СН2–ОН����t, кат СН2=СН–СН=СН2 + 2Н2O + Н2
Циклопарафины можно получить:
54
1) Циклизацией дигалогензамещенных предельных углеводо-родов
Mg + Cl–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2Cl
���t
CH2
CH2
CH2
CH2
H2C
H2C + MgCl2
2) Гидрированием ароматических углеводородовCH
C
CH
CH
HC
HC
CH3
+ 3Н2 ���
t, Pt
CH2
CH
CH2 CH2
H2C
H2C
CH3
Спирты можно получить:1) Присоединением воды к этиленовым углеводородам
СН2=СН2 + Н2О���H+
СН3–СН2–ОН
2) Из предельных углеводородов через галогенпроизводныеСН3–СН3 + Сl2 = СН3–СН2–Сl + НСl
СН3–СН3–Сl + NаОН = СН3–СН2–ОН + NаСl
Ароматические углеводороды можно получить дегидрирова-нием циклопарафинов или предельных углеводородов:
CH2
CH
CH2 CH2
H2C
H2C
CH3 ������ t, Pt
CH
C
CH
CH
HC
HC
CH3
+ 3Н2
3НС≡СН���
t, кат
CH
CH
CH
CH
HC
HC
55
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
�� t, Pt
CH
CH
CH
CH
HC
HC + 4Н2
Фенолы можно получить из ароматических углеводородов че-рез галогенопроизводные:
+ Cl2��t, FeCl3
Cl
+ HCl
Cl
+ NaOH���t
OH
+NaCl
Альдегиды можно получить:1) Окислением спиртов
CH3–CH2–OH + CuO���t C
O
HCH3 + Cu + H2O
2) Каталитическим окислением предельных углеводородов
СН4 + O2 ���
t, кат Н–CO
H+ H2O
3) Уксусный альдегид можно получить присоединением водык ацетилену
НC≡CH + H2O
������HgSO4 СН3–C
O
H
Карбоновые кислоты можно получить:1) Окислением альдегидов
2 CO
HCH3 + O2
���t, кат 2 CO
OHCH3
56
2) Каталитическим окислением предельных углеводородов
2CH4 + 3O2 ���t, кат 2Н–C
O
OH + 2H2O
3) Гидролизом сложных эфиров
CO
O – CH2 – CH3
CH3 + Н2О���H2SO4, t C
O
OHCH3 + CH3–CH2–OH
Сложные эфиры образуются при взаимодействии карбоновыхкислот со спиртами (реакция этерификации)
CO
OHCH3 + CH3–CH2–OH
���H2SO4, t
CO
O – CH2 – CH3
CH3 + Н2О
Ароматические амины можно получить из ароматических уг-леводородов через нитропроизводные
+ HNO2
���H2SO4
NO2
+ Н2О
NO2Fe, HCl
�� NH2
Аминокислоты можно получить из карбоновых кислот черезгалогензамещенные кислоты
CO
OHCH3 + Cl2
������ Cl – CH2 – C
O
OH+ HCl
57
Cl – CH2 – CO
OH+ NH3
������ H2N – CH2 – C
O
OH+ HCl
Вопрос № 9Как на основе нефтепродуктов удается получить мыло и дру-
гие моющие средства, заменяя этим жиры? Составьте уравнениясоответствующих реакций.
Ответ:При каталитическом окислении высших углеводородов, вхо-
дящих в состав нефти, образуются высшие карбоновые кислоты счислом атомов углерода в два раза меньше, чем в исходном угле-водороде:
2С36Н74 + 5О2 = 4С17Н35СООН + 2Н2О
При реакции со щелочью образуются натриевые соли кислот,то есть мыло:
С17Н35СООН + NaOH = С17Н35СООNa + H2O
При реакции высших углеводородов со смесью оксида серы(IV) и хлора образуются сульфохлориды высших углеводородов,при обработке которых щелочью получаются соли сульфокислот:
C18Н38 + SO2 + Сl2 = С18Н37SО2Cl + НCl
C18H37SО2Cl + 2NaOH = C18Н37SО3Na + NaСl + H2О
Соли сульфокислот являются более эффективными моющи-ми средствами, чем мыло, и не теряют моющего действия в же-сткой воде.
Вопрос № 10Продукты переработки нефти служат сырьем для получения
отдельных видов синтетического каучука. Приведите уравнениясоответствующих реакций.
Ответ:1) Побочным продуктом крекинга нефти является этилен. Эти-
лен можно дегидрировать в ацетилен:
58
СН2≡СН2
���t, кат СН≡СН + Н2
Из ацетилена в присутствии катализатора образуется винил-ацетилен (реакция димеризации ацетилена):
2СН≡СН��������t, кат СН≡С–СН=СН2
При присоединении к винилацетилену хлороводорода образу-ется 2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен), при полимеризации которогообразуется хлоропреновый каучук.
СН≡С–СН=СН2 + НСl���СН2=С–СН=СН2
|Cl
nСН2=С–СН=СН2
��� (–СН2=С–СН=СН2–)n
| |Cl Cl
2) Одним из компонентов нефтяных газов является бутан. Придегидрировании бутана можно получить бутадиен:
СН3–СН2–СН2–СН3
������t, кат CH2=CH–CH2=CH2 + 2Н2
При полимеризации бутадиена образуется бутадиеновый илидивиниловый каучук:
СН2=СН–СН=СН2
������t, кат (–СН2–СН=СН–СН2–)n
Вопрос № 11Метанол необходим для синтеза различных продуктов. Урав-
нениями проиллюстрируйте, как разрешена проблема синтезаметанола с использованием углеводородного сырья.
Ответ:Метанол получают из синтез-газа – смеси оксида углерода (II)
и водорода:СО + 2Н2 Ni
��������t°
СН3ОН
Синтез-газ можно получить, пропуская водяной пар через рас-каленный уголь:
Н2О + С = СО + H2
Синтез-газ получают также из смеси метана, являющегося ос-новным компонентом природного газа, и кислорода при нагрева-нии в присутствии катализатора. При этом протекают следующие
59
реакции: часть метана сгорает с образованием оксида углерода(IV) и воды.
СН4 + 2О2 = СО2 + 2H2O
3атем образовавшиеся вода и оксид углерода (IV) взаимодей-ствуют с оставшимся метаном:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2
Вопрос № 12Какие методы получения уксусной кислоты вам известны и
которые из них являются более перспективными и почему? Под-твердите это уравнениями соответствующих реакций.
Ответ:Уксусную кислоту можно получать следующими способами:1) Из метана, являющегося основным компонентом природно-
го газа, получают ацетилен:
2СН4���t
HC≡CH + 3Н2
Ацетилен в присутствии сульфата ртути (II) присоединяет во-ду, образуется уксусный альдегид (реакция Кучерова):
НC≡CH + H2O ���HgSO4 СН3–C
O
H
При окислении уксусного альдегида образуется уксусная ки-слота:
2 CO
HCH3 + O2
���t, кат 2 CO
OHCH3
2) При гидратации этилена, являющегося побочным продуктомкрекинга нефти, получают этиловый спирт:
СН2=СН2 + Н2O����H+, t СН3–СН2–ОН
При окислении этилового спирта получают уксусную кислоту:
60
СН3–CH2OH + O2 ���
t, кат CO
OHCH3 + Н2О
3) Уксусную кислоту можно получить при окислении бутана вприсутствии катализатора:
СН3CH2CH2СH3 + 5O2 ���
t, кат 2 CO
OHCH3 + 2Н2О
Наиболее перспективным является последний метод, так какбутан является компонентом природного газа и попутных нефтя-ных газов, а уксусная кислота получается в одну стадию.
Вопрос № 13Углеводородное сырье (нефть, каменный уголь и природный
газ) являются источником для синтеза полиэтилена, фенопластови красителей (на основе анилина). Приведите уравнения соответ-ствующих реакций.
Ответ:1) Этилен является побочным продуктом крекинга нефти.
Кроме того, этилен можно получить при дегидрировании этана,входящего в состав природного газа:
СН3–СН3
����t, кат СН2=СН2 + Н2
При полимеризации этилена образуется полиэтилен:
nСН2=СН2
��������кат (–СН2–СН2–)n
2) При окислении метана – основного компонента природногогаза – образуется формальдегид (метаналь):
СН4 + O2 ���
t, кат Н–CO
H+ H2O
Из каменноугольной смолы, получаемой при коксовании ка-менного угля, выделяют фенол. При реакции фенола с формальде-гидом образуется фенолформальдегидная смола:
61
OH+ Н–C
O
H
���
OH
CH2CH2
OHOH
+ Н2О
Смешивая фенолформальдегидную смолу с различными на-полнителями, получают фенопласты.
3) Этилен, образующийся как побочный продукт крекинганефти, может быть дегидрирован в ацетилен:
СН2=СН2
������t, кат СН≡СН + Н2
Из трех молекул ацетилена может образоваться молекула бен-зола (реакция тримеризации):
3НС≡СН ���t, кат
CH
CH
CH
CH
HC
HC
При действии на бензол смеси концентрированной азотной ки-слоты и концентрированной серной кислоты происходит замеще-ние атома водорода на нитрогруппу и образуется нитробензол:
+ HNO2
���H2SO4
NO2
+ Н2О
Нитробензол можно восстановить в аминобензол (анилин):
NO2Fe, HCl��
NH2
62
Вопрос № 14Составьте уравнения реакций, протекающих согласно прави-
лам В.В. Марковникова, и поясните их сущность с точки зрениясовременных электронных представлений.
Ответ:При присоединении галогеноводородов к непредельным угле-
водородам образуются галогенопроизводные. Присоединение про-текает по правилу Марковникова:
СН2=СН–CН2–CН3 + HCl ���
СН3–СН–CН2–CН3|Cl
В присутствии кислот алкены присоединяют воду, при этомобразуются спирты. Присоединение воды также происходит поправилу Марковникова:
СН2=СН–CН3 + H2O ���
H+, t СН3–СН–CН3|OH
Объяснение правила Марковникова с точки зрения современ-ной теории строения подробно дано при ответе на вопрос 2.
Вопрос № 15Назовите наиболее известных отечественных ученых, являю-
щихся основоположниками современных методов переработкинефти. Сущность их открытия подтвердите уравнениями хими-ческих реакций.
Ответ:1. Первый завод для очистки нефти был построен в России на
Ухтинском нефтяном промысле в 1745 г.2. Братья Дубинины в 1823 г. впервые создали устройство для
перегонки нефти. С 1823 г. Дубинины стали вывозить «фотоген»(керосин) многими тысячами пудов из Моздока вглубь России.
3. Промышленный метод крекинга был разработан русскиминженером В.Г. Шуховым в 1891 г.
63
СИСТЕМАТИ3АЦИЯ, ОБОБЩЕНИЕ И УГЛУБЛЕНИЕ3НАНИЙ ПО КУРСУ ХИМИИ
Глава II. Периодический закон и периодическаясистема Д.И. Менделеева на основе учения
о строении атома
Задачи к §§1-3 (стр. 70)
Вопрос № 1Сравните формулировку периодического закона, данную
Д.И. Менделеевым, с современной формулировкой. Объясните, по-чему потребовалось такое изменение формулировки.
Ответ:Формулировка периодического закона, данная Д.И. Менделе-
евым, гласила: свойства химических элементов находятся в перио-дической зависимости от атомных масс этих элементов. Совре-менная формулировка гласит: свойства химических элементов на-ходятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элемен-тов. Такое уточнение потребовалось, поскольку к моменту уста-новления Менделеевым периодического закона еще не было из-вестно о строении атома. После выяснения строения атома и уста-новления закономерностей размещения электронов по электрон-ным уровням стало ясно, что периодическая повторяемостьсвойств элементов связана с повторяемостью строения электрон-ных оболочек.
Вопрос № 2Почему число элементов в периодах соответствует ряду чи-
сел 2 – 8 – 18 – 32? Разъясните эту закономерность с учетомрасположения электронов по энергетическим уровням.
Ответ:Электроны в атоме могут занимать s-, p-, d- и f-орбитали. На
одном электронном уровне может быть одна s-орбиталь, три р-орбитали, пять d-орбиталей, семь f-орбиталей. На одной орбитали
64
может находиться не более двух электронов. Таким образом, еслизаполнены только s-орбитали, на электронном уровне находится 2электрона. Если заполнены s- и р-орбитали, на одном электронномуровне находится 2 + 6 = 8 электронов. Если заполнены s-, p- и d-орбитали, на электронном уровне находится 2 + 6 + 10 = 18 элек-тронов. Наконец, если заполнены s-, p-, d-, и f-орбитали, на элек-тронном уровне находится 2 + 6 + 10 + 14 = 32 электрона. Такимобразом, число элементов в периодах соответствует максимальновозможному числу электронов на электронном уровне.
Вопрос № 3На основе теории строения атомов поясните, почему группы
элементов разделены на главные и побочные.
Ответ:В элементах главных подгрупп периодической системы эле-
ментов происходит заполнение электронами орбиталей внешнегоэлектронного уровня. В элементах побочных подгрупп происходитзаполнение электронами орбиталей предпоследнего электронногоуровня.
Вопрос № 4По каким признакам различают s-, p-, d- и f-моменты?
Ответ:В атомах s-элементов происходит заполнение s-орбиталей, в
атомах р-элементов заполняются р-орбитали, в атомах d-элементов– d-орбитали и в атомах f-элементов – f-орбитали.
Вопрос № 5Пользуясь таблицей периодической системы химических эле-
ментов Д.И. Менделеева, составьте схемы расположения элек-тронов по орбиталям и энергетическим уровням в атомах эле-ментов ванадия V, никеля Ni и мышьяка As. Какие из них относят-ся к р-элементам и какие – к d-элементам и почему?
Ответ:Атом ванадия:
65
1s22s22p63s23p63d34s2
Атом никеля:1s22s22p63s23p63d84s2
Атом мышьяка:1s22s22p63s23p63d104s24p3
В атомах ванадия и никеля заполняется 3d-подуровень, поэто-му их относят к d-элементам. В атоме мышьяка заполняется 4р-подуровень, то есть мышьяк является р-элементом.
Вопрос № 6Разъясните, почему химический знак водорода обычно по-
мещают в главной подгруппе I группы и в главной подгруппе VIIгруппы.
Ответ:В атоме водорода один s-электрон на внешней (и единствен-
ной) электронной оболочке, как и у атомов щелочных металлов.Поэтому водород размещают в первой группе периодической сис-темы. С другой стороны, для заполнения внешней электроннойоболочки атому водорода не хватает одного электрона, как и ато-мам галогенов, поэтому водород помещают также в главную под-группу VII группы периодической системы.
Вопрос № 7На основе закономерностей размещения электронов по орби-
талям поясните, почему лантаноиды и актиноиды обладаютсходными химическими свойствами.
Ответ:В атомах лантаноидов и актиноидов происходит заполнение
третьего снаружи электронного уровня. Поскольку химическиесвойства главным образом зависят от электронов внешней оболоч-ки, то лантаноиды и актиноиды очень похожи по свойствам.
Вопрос № 8Назовите известные вам искусственно полученные элемен-
ты, укажите их место в таблице периодической системы хи-мических элементов Д.И. Менделеева и начертите схемы, от-
66
ражающие расположение электронов по орбиталям в атомахэтих элементов.
Ответ:Не встречаются в природе и могут быть получены только ис-
кусственно технеций (№ 43), прометий (№ 61), астат (№ 85), фран-ций (№ 87) и трансурановые элементы, то есть элементы находя-щиеся в периодической системе после урана (с номерами 93 ибольше).
Электронные схемы технеция, прометия, астата и франция:43Тс 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2
61Pm 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f55s25p66s2
85At 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p5
87Fr 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p67s1
Электронная схема первого из трансурановых элементов –нептуния:
93Np1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f46s26p66d17s2
Вопрос № 9Объясните сущность понятия «валентность» с точки зрения
современных представлений о строении атомов и образованияхимической связи.
Ответ:Валентность равна числу химических связей, которые атом
данного элемента может образовать с атомами других элементов.В образовании химических связей участвуют электроны внешнегоэлектронного уровня. Валентность можно определить также какчисло электронов, которые атом данного химического элементаможет предоставить для образования химических связей с атомамидругих элементов.
Вопрос № 10Почему численное значение валентности не всегда совпадает
с числом электронов на наружных энергетических уровнях?
67
Ответ:Образование химических связей возможно при наличии в ато-
ме неспаренных электронов. Во многих элементах не все электро-ны внешнего электронного уровня являются неспаренными.
Например, в атомах кислорода и серы по шесть электронов навнешнем уровне, но из них только два неспаренных:
2p8О 2s
↓↑ ↑ ↑1s ↓↑↓↑
3p3s
2p ↓↑ ↑ ↑2s ↓↑↓↑ ↓↑ ↓↑1s ↓↑
16S ↓↑
Однако, в атоме серы на внешнем электронном уровне естьеще пустые 3d-орбитали, на которые могут переходить электроныс 3s- и 3р-орбиталей, в результате в атоме серы становится шестьнеспаренных электронов:
3d3p3s ↑ ↑2p ↑ ↑ ↑2s ↑
↓↑ ↓↑ ↓↑1s ↓↑16S ↓↑
Поэтому максимальная валентность серы равна шести, то естьсовпадает с числом электронов на внешнем электронном уровне. Ватоме кислорода на втором уровне нет d-орбиталей, поэтому нетвозможности для распаривания электронов, и валентность кисло-рода не может быть больше двух, то есть не равна числу электро-нов на внешнем уровне.
Вопрос № 11Почему максимальная валентность элементов 2-го периода не
может превысить число 4?
68
Ответ:В атомах элементов второго периода может быть не более 4
неспаренных электронов, так как на втором электронном уровнеесть одна s-орбиталь и три р-орбитали. Валентность равна числунеспаренных электронов, поэтому валентность элементов второгопериода не может быть больше 4.
Вопрос № 12Составьте электронные схемы, отражающие валентность
азота в азотной кислоте и валентность углерода и кислорода воксиде углерода (II).
Ответ:а) Молекула оксида углерода. Строение электронных оболочек
атомов углерода и кислорода:2p
6C 2s↑ ↑1s ↓↑
↓↑
2p8О 2s
↓↑ ↑ ↑1s ↓↑↓↑
В молекуле оксида углерода две связи образованы за счет двухнеспаренных электронов атома углерода и двух неспаренных элек-тронов атома кислорода. У атома кислорода есть еще пара элек-тронов на 2р-орбитали, а у атома углерода – свободная 2р-орби-таль. Пара электронов переходит от атома кислорода к атому угле-рода, образуют донорно-акцепторную связь. Электронную форму-лу оксида углерода (II) можно изобразить так:
C O
������
������
������ или C O
������ ���� ��
(стрелочкой обозначена донорно-акцепторная связь).б) Молекула азотной кислоты. Электронные схемы атомов во-
дорода, кислорода и азота:2p
1Н 8О 2s↓↑ ↑ ↑1s 1s ↓↑
↑ ↓↑
69
2p7N 2s
↑ ↑ ↑1s ↓↑↓↑
Атом водорода образует за счет единственного электрона связьс атомом кислорода. Второй электрон атома кислорода участвует вобразовании связи с атомом азота:
O�� ��
������������H N��
���
У атома азота остается два неспаренных электрона, и он обра-зует две связи со вторым атомом кислорода:��
���H N��
���� O
����O
��������
У атома азота осталась еще электронная пара на 2s-орбитали.В третьем атоме кислорода происходит спаривание электронов, иобразуется свободная орбиталь:
2p8О 2s
↓↑ ↓↑1s ↓↑↓↑
Пара электронов от атома азота переходит на освободившуюсяорбиталь атома кислорода и образуется донорно-акцепторнаясвязь:
���� ����H N�� �������� O
����O
����
O��������
Вопрос № 13Почему по современным представлениям понятие о валентно-
сти неприменимо к ионным соединениям?
Ответ:Валентность равна числу образованных атомом связей и зави-
сит от числа электронов на внешнем электронном уровне. Ионныесоединения состоят из положительно и отрицательно заряженныхионов, которые удерживаются вместе силами электрического при-тяжения. В ионных соединениях число связей между ионами зави-
70
сит от строения кристаллической решетки, может быть различными не связано с числом электронов на внешнем электронном уровне.
Вопрос № 14Какие закономерности наблюдаются в изменении атомных
радиусов в периодах слева направо и при переходе от одного пе-риода к другому?
Ответ:В периодах атомные радиусы уменьшаются слева направо. Это
связано с тем, что заряд ядра увеличивается и электроны сильнеепритягиваются к ядру, электронная оболочка как бы сжимается. Вгруппах радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, посколькуувеличивается число электронных оболочек.
Вопрос № 15Вспомните формулировку периодического закона, данную
Д.И. Менделеевым, и современную формулировку этого закона. Наконкретных примерах подтвердите, что периодически изменяют-ся не только свойства химических элементов, но и формы и свой-ства их соединений.
Ответ:Формулировка периодического закона, данная Д.И. Менделе-
евым, гласила: свойства химических элементов находятся в перио-дической зависимости от атомных масс этих элементов. Совре-менная формулировка гласит: свойства химических элементов на-ходятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элемен-тов. Периодически изменяются также и свойства соединений хи-мических элементов. Например, оксиды всех металлов главнойподгруппы I группы (Li2О, Na2O, К2О, Rb2О, Cs2O) проявляют ос-новные свойства, а оксиды всех элементов главной подгруппы IVгруппы (СО2, SiО2, GeO2 SnO2, PbO2) – кислотные свойства.
3адача № 1При полном сжигании 0,68 г неизвестного вещества получили
1,28 г оксида серы (IV) и 0,36 г воды. Найдите химическую форму-лу сжигаемого вещества.
71
Решение:Вычислим молярные массы воды и оксида серы (IV):
М(Н2О) = 1 ⋅ 2 + 16 = 18 г/моль
M(SО2) = 32 + 16 ⋅ 2 = 64 г/моль
Вычислим количество вещества воды и оксида серы (IV), обра-зовавшихся при сжигании вещества:
моль02,0=моль/г18г36,0
=)OH(M)OH(m
=)OH(2
22ν
моль02,0=моль/г64г28,1
=)SO(M)SO(m
=)SO(2
22ν
Т.к. в реакции получаются SO2 и Н2О, то в исходном веществесодержатся могут только S, Н и О. Тогда исходное вещество мож-но схематично изобразить формулой SхНуОz. Тогда уравнение ре-акции запишется
SхНуОz 2O4
yx + ���хSО2 +
zy Н2О
В 0,02 моль воды содержится 0,02 ⋅ 2 = 0,04 моль атомов водо-рода. В 0,02 моль оксида серы содержится 0,02 моль атомов водо-рода. Вычислим массу водорода и серы в веществе:
m(Н) = n(Н) ⋅ М(Н) = 0,04 моль ⋅ 1 г/моль = 0,04 г.
m(S) = n(S) ⋅ M(S) = 0,02 моль ⋅ 32 г/моль = 0,64 г.
Масса серы и водорода равна 0,64 + 0,04 = 0,68 г, то есть равнамассе вещества, значит в веществе не содержится других элемен-тов, кроме серы и водорода. На 0,04 моль водорода приходится0,02 моль серы, то есть на 2 атома водорода приходится 1 атом се-ры, простейшая формула вещества H2S, это сероводород.
Ответ: сероводород H2S.
3адача № 2Через раствор, содержащий 10 г гидроксида натрия, пропус-
тили 20 г сероводорода. Какая соль образовалась при этом? Оп-ределите ее массу и количество.
72
Решение:Возможно образование двух солей – сульфида натрия по урав-
нению (1) и гидросульфида натрия по уравнению (2).2NaOH + H2S = Na2S + 2H2O (1)
NaOH + Н38 = NaHS + H2O (2)
Вычислим молярные массы гидроксида натрия и сероводо-рода:
M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль
M(H2S) = 1 ⋅ 2 + 32 = 34 г/моль
Вычислим количество вещества гидроксида натрия и серово-дорода:
моль25,0=моль/г40г10
=)NaOH(M)NaOH(m
=)NaOH(ν
моль59,0моль/г34г20
=)SH(M)SH(m
=)SH(2
22ν
По уравнению (2) 1 моль гидроксида натрия реагирует с 1 мольсероводорода, значит для реакции с 0,59 моль сероводорода нужно0,59 моль гидроксида натрия, а по условию взяли только 0,25 моль.Следовательно, сероводород взят в избытке, и образуется гидро-сульфид натрия, расчет ведем по гидроксиду натрия. Из 1 мольгидроксида натрия по уравнению образуется 1 моль гидросульфи-да натрия, следовательно из 0,25 моль гидроксида натрия получит-ся 0,25 моль гидросульфида натрия.
Вычислим молярную массу гидросульфида натрия:M(NaHS) = 23 + 1 + 32 = 56 г/моль
Вычислим массу гидросульфида натрия:m(NaHS) = ν(NaHS) ⋅ M(NaHS) = 0,25 моль ⋅ 56 г/моль = 14 г.
Ответ: получится 0,25 моль (14 г) гидросульфида натрия.
3адача № 3Сколько оксида алюминия в граммах можно получить из 100 г
кристаллогидрата хлорида алюминия АlCl3 ⋅ 6Н2О?
73
Решение:При взаимодействии хлорида алюминия с гидроксидом натрия
образуется гидроксид алюминия:АlCl3 + 3NaOH = Аl(ОН)3 + 3NaСl (1)
При прокаливании гидроксид алюминия разлагается с образо-ванием оксида алюминия.
2Аl(ОН)3 = Аl2О3 + 3Н2О (2)
Вычислим молярную массу кристаллогидрата хлорида алюми-ния:
М(АlCl3 ⋅ 6Н2O) = 27 + 35,5 ⋅ 3 + 6 ⋅ (1 ⋅ 2 + 16) = 241,5 г/моль
Вычислим количество вещества кристаллогидрата хлоридаалюминия:
моль414,0моль/г5,241г100
=)OH6AlCl(M)OH6AlCl(m
=)OH6AlCl(23
2323ν
Количество вещества хлорида алюминия, очевидно, равно ко-личеству вещества кристаллогидрата. По уравнению (1) из 1 мольхлорида алюминия можно получить 1 моль гидроксида алюминия.По уравнению (2) из 2 моль гидроксида алюминия получится 1моль оксида алюминия. Значит, для получения 1 моль оксида алю-миния нужно 2 моль хлорида алюминия. Пусть из 0,414 моль хло-рида алюминия получится х моль оксида алюминия. Составимпропорцию:
моль207,02
1414,0x,x414,0
12
=⋅
==
Вычислим молярную массу оксида алюминия:М(Аl2О3) = 27 · 2 + 16 · 3 = 102 г/моль
Вычислим массу оксида алюминия:m(Аl2О3) = ν( Аl2О3) · М(Аl2О3) = 0,207 моль · 102 г/моль ≈ 21,1 г.
Ответ: можно получить 21,1 г оксида алюминия.
Задача № 4На 18 г технического алюминия подействовали избытком
раствора гидроксида натрия. При этом выделилось 21,4 л газа(н.у.). Определите процентное содержание примесей в техниче-
74
ском алюминии, если известно, что в нем не содержалось другихвеществ, способных реагировать с гидроксидом натрия.
Решение:
2Аl + 2NaOH + 6Н2O = 2Na[Al(OH)4] + 3Н2
Вычислим количество вещества выделившегося водорода:
( ) ( )моль956,0
моль/л4,22л4,21
VHV
HM
22 ≈==ν
По уравнению реакции при взаимодействии 2 моль алюминиясо щелочью выделяется 3 моль водорода. Пусть при выделении0,956 моль водорода в реакцию вступило х моль водорода. Соста-вим пропорцию:
моль637,03
2956,0x,956,0x
32
≈⋅
==
Молярная масса алюминия равна 27 г/моль. Вычислим массупрореагировавшего алюминия:
m(Al) = ν(Al) · M(Al) = 27 моль · 0,637 г/моль = 17,2 г.
Масса примесей равна 18 г – 17,2 г = 0,8 г. Массовая доля при-месей равна 0,8/18 = 0,044, или 4,4%.
Ответ: в техническом алюминии содержится 4,4% примесей.
Глава III. Строение вещества
Задачи к §§1–4 (стр. 84)
Вопрос № 1Охарактеризуйте сущность основных типов химической связи
и примерами поясните зависимость свойств веществ от ихстроения.
Ответ:Если в состав соединения входят атомы элементов с одинако-
вой или не сильно отличающейся электроотрицательностью, тообразуется ковалентная связь. В случае, если химическая связь об-разуется между атомами одного элемента, общие электроны при-
75
тягиваются к каждому из атомов с одинаковой силой и располага-ются на одинаковом расстоянии от каждого из атомов. Такая кова-лентная связь называется неполярной. Неполярная ковалентнаясвязь существует в молекулах водорода H2, кислорода O2, азота N2
и в молекулах газообразных простых веществ.Если же в образовании ковалентной связи принимают участие
два разных атома, то общая электронная пара притягивается к од-ному из атомов сильнее, чем к другому. Поэтому общие для двухатомов электроны смещены к одному из атомов. Такая ковалент-ная связь называется полярной. В качестве примеров соединений сполярной ковалентной связью можно привести воду H2O, хлорово-дород НCl, аммиак NH3, сероводород H2S.
Если разница в электроотрицательности атомов, образующиххимическую связь, велика, то электроны, участвующие в образо-вании химической связи, полностью переходят от атома с меньшейэлектроотрицательностью к атому с большей электроотрицатель-ностью. Такая химическая связь называется ионной.
Примеры соединений с ионной связью – хлорид натрия NaCl,фторид кальция CaF2.
Соединения с ионной связью обычно имеют высокие темпера-туры плавления, а соединения с ковалентной связью – низкие.
Вопрос № 2Даны вещества: хлорид калия, хлороводород, кислород, эта-
нол. Чем отличаются эти вещества по своему строению и типамсвязи?
Ответ:Кристаллическая решетка хлорида калия состоит из ионов К+ и
Сl–. Хлорид калия относится к веществам с ионной химическойсвязью.
В молекуле кислорода атомы кислорода соединены неполяр-ной ковалентной связью. В молекуле хлороводорода атомы водо-рода и хлора соединены полярной ковалентной связью. В молекулеэтанола все связи в молекуле – полярные ковалентные.
76
Вопрос № 3Приведите примеры образования органических и неорганиче-
ских веществ на основе sp- sp2-, sp3-гибридизации.
Ответ:Неорганические вещества: примером соединения с sp-
гибридизацией может служить фторид бериллия BеF2, соединенияс sp2-гибридизацией – фторид бора ВF3, соединений с sp3-гибридизацией – вода и аммиак.
Органические вещества. В молекуле этана атомы углерода на-ходятся в состоянии sp3-гибридизации, в молекуле этилена в со-стоянии sp2-гибридизации и в молекуле ацетилена – в состоянииsp-гибридизации.
Вопрос № 4Что общего и чем отличаются по своему строению молекулы
метана, аммиака и воды?
Ответ:В молекулах аммиака, воды и метана центральный атом нахо-
дится в состоянии sp3-гибридизации. Однако у атома углерода вмолекуле метана в образовании связей участвуют все четыре гиб-ридные орбитали. В молекуле аммиака в образовании связей уча-ствует только три гибридные орбитали, а на четвертой орбиталинаходится неподеленная электронная пара. В молекуле воды же вобразовании связей участвует две гибридные орбитали, а на двухорбиталях находятся неподеленные электронные пары. За счет то-го, что между орбиталями, участвующими в образовании связей, иорбиталями, занятыми свободными электронными парами, дейст-вуют силы отталкивания, угол между связями в молекуле умень-шается от метана к аммиаку и еще больше – к воде.
Вопрос № 5Примерами поясните зависимость свойств веществ от типа
кристаллических решеток
77
Ответ:Вещества с ионными кристаллическими решетками обычно
имеют высокие температуры плавления, например хлорид калияКCl, сульфат натрия Na2SO4, оксид алюминия Аl2О3. Вещества сатомными кристаллическими решетками также обычно имеют вы-сокие температуры плавления (например, углерод в виде графитаили алмаза, кремний).
Вопрос № 6Приведите примеры дисперсных систем и укажите их сход-
ные и отличительные свойства.
Ответ:1) Дисперсные системы различаются по степени измельчения
вещества. Растворы хлорида натрия или этилового спирта в водеявляются примерами истинных растворов. Они прозрачны, от-дельных частиц в. них нельзя обнаружить даже с помощью микро-скопа. Раствор белка в воде – коллоидный раствор. Коллоидныерастворы прозрачны, но рассеивают свет – при пропускании светачерез прозрачный сосуд с раствором можно наблюдать светящийсяконус. С помощью специального микроскопа в коллоидных рас-творах можно обнаружить отдельные частицы. Смесь глины с во-дой может служить примером грубодисперсной системы. Она не-прозрачна, и отдельные частицы можно обнаружить при помощиобычного микроскопа.
2) Дисперсные системы различаются по тому, в каком агрегат-ном состоянии находятся дисперсные частицы и в какой среде онираспределены. Например, в суспензиях твердые частицы находятсяв жидкой среде. В эмульсиях мельчайшие капельки одной жидко-сти распределены в другой. Примером эмульсии может служитьмолоко, в котором капельки жира распределены в воде. В аэрозо-лях твердые или жидкие частицы распределены в газообразнойсреде, примером могут служить дым и туман.
Вопрос № 7На основе своего практического и жизненного опыта приве-
дите конкретные примеры применения растворов согласно схеме:
78
В растениеводстве В животноводстве
В сельском хозяйстве
Растворы
В промышленности В медицине
В быту
������
������
������
��������
��������
Ответ:В промышленности многие реакции проводят в растворах. На-
пример, при электролизе раствора хлорида натрия получают гид-роксид натрия и хлор:
2NaCl + 2Н2О = 2NaOH + Н2 + Cl2
В медицине лекарства часто применяют в виде растворов. Вбыту растворы образуются при приготовлении пищи. В сельскомхозяйстве удобрения часто применяют в виде растворов. Живот-ным дают специальные подкормки в растворенном виде.
Вопрос № 8Охарактеризуйте коллоидные растворы. Чем они отличают-
ся от истинных растворов?
Ответ:Истинные растворы прозрачны, в них нельзя обнаружить от-
дельных частиц даже при помощи микроскопа. Коллоидные рас-творы прозрачны, но рассеивают свет – при пропускании света че-рез прозрачный сосуд с раствором можно наблюдать светящийсяконус. С помощью специального микроскопа в коллоидных рас-творах можно обнаружить отдельные частицы.
79
Вопрос № 9Каково строение коллоидных частиц? Чем такое строение
объясняется и как оно отражается на свойствах коллоидныхрастворов?
Ответ:В коллоидных растворах вещества находятся в виде частиц
размером 1–100 нм. Присутствие коллоидных частиц в раствореможно обнаружить по рассеиванию света. Коллоидные частицыадсорбируют на поверхности ионы, находящиеся в растворе. По-этому коллоидные частицы оказываются одноименно заряженны-ми и не слипаются друг с другом (одноименные заряды отталки-ваются).
Вопрос № 10Каково значение коллоидных растворов?
Ответ:Коллоидные растворы широко распространены в природе.
Кровь, лимфа, внутриклеточные жидкости в организме являют-ся коллоидными растворами белков и других веществ. Колло-идными растворами являются клеи и краски. Иногда в коллоид-ных растворах происходит слипание частиц (коагуляция), приэтом образуются гели – студенистые вещества. Примером гелямогут служить фотографическая эмульсия, применяемая для из-готовления фотопленок и фотобумаг, а также такие продукты,как студень, мармелад.
Задача № 1К 200 г раствора, содержащего 40% нитрата калия, добавили
800 мл воды. Определите массовую долю и процент содержаниянитрата калия в полученном растворе
Решение:Вычислим массу нитрата калия в исходном растворе:
m(КNО3) = c1(КNО3) · m(раствора) = 0,4 · 200 г = 80 г.
80
Плотность воды равна 1 г/мл, значит масса добавленной водыравна 800 г. Масса раствора равна 200 г + 800 г = 1000 г. Вычис-лим массовую долю нитрата калия в полученном растворе:
( ) ( )( ) 08,0
г1000г80
раствораmKNOm
KNOc 332 ===
Ответ: массовая доля нитрата калия равна 0,08 или 8%.
Задача № 2В какой массе воды нужно растворить 27,8 г кристаллогид-
рата сульфата железа (II) FeSО4 · 7H2O, чтобы получить 3,8%-ный раствор сульфата железа (II) FeSO4?
Решение:Вычислим молярные массы сульфата железа и его кристалло-
гидрата:M(FeSO4) = 56 + 32 + 164 = 152 г/моль.
M(FeSО4 · 7H2O) = M(FeSО4) + 7 · M(H2O) == 152 + 7 · (1 · 2 + 16) = 278 г/моль.
Вычислим количество вещества кристаллогидрата:
( ) ( )( ) моль1,0
моль/г278г8,27
OH7FeSOMOH7FeSOm
OH7FeSO24
2424 ==
⋅⋅
=⋅ν
В 1 моль кристаллогидрата содержится 1 моль сульфата желе-за, значит в 0,1 моль кристаллогидрата содержится 0,1 моль суль-фата железа. Вычислим массу сульфата железа:
m(FeSО4) = ν(FeSО4) · M(FeSО4) = 0,1 моль · 152 г/моль = 15,2 г.
Пусть для получения раствора с массовой долей 3,8%, или0,038, нужно прибавить к кристаллогидрату сульфата железа х гводы. Масса раствора будет равна 27,8 + х г, а масса растворенноговещества (сульфата железа) – 15,2 г. Составим уравнение:
( ) ( )( ) 038,0
гx8,27г2,15
раствораmFeSOm
FeSOc 44 =
+==
Отсюда0,038 · (27,8 + х) = 15,2,
1,0564 + 0,038х = 15,2
81
0,038х = 14,1436
х = 372,2
Ответ: нужно растворить кристаллогидрат в 372,2 мл воды.
Задача № 3К раствору, содержащему 12,6 г азотной кислоты, добавили
раствор, содержащий 7,2 г гидроксида натрия. Сколько гидрокси-да по массе потребуется для полной нейтрализации?
Решение:
НNО3 + NaOH =NaNО3 + Н2О
Вычислим молярную массу азотной кислоты и гидроксиданатрия:
М(НNО3) = 1 + 14 + 163 = 63 г/моль
M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль
Вычислим количество вещества азотной кислоты и гидроксиданатрия:
( ) ( )( ) моль2,0
моль/г63г6,12
HNOMHNOm
HNO3
33 ===ν
( ) ( )( ) моль18,0
моль/г40г2,7
NaOHMNaOHmNaOH ===ν
По уравнению реакции 1 моль азотной кислоты реагирует с 1моль гидроксида натрия, следовательно 0,18 моль гидроксида на-трия нейтрализуют 0,18 моль азотной кислоты. Всего же в раство-ре находится 0.2 моль азотной кислоты, то есть 0,2 – 0,18 = 0,02моль азотной кислоты не прореагирует и для ее нейтрализациинужно дополнительно прибавить еще 0,02 моль гидроксида на-трия.
Вычислим массу гидроксида натрия:m(NaOH) = ν(NaOH) · M(NaOH) = 0,02 моль · 40 г/моль = 0,8 г.
Ответ: для полной нейтрализации кислоты нужно еще 0,8 ггидроксида натрия.
82
Глава IV. Химические реакции
Задачи к §§1, 2 (стр. 93)
Вопрос № 1Охарактеризуйте основные типы химических реакций по их
важнейшим признакам. Приведите примеры.
Ответ:Химические реакции можно разделить по следующим при-
знакам:а) По составу исходных веществ и продуктов реакции.1) Реакции соединения (из нескольких простых или сложных
веществ образуется одно сложное)2Са + O2 = 2СаО
Cu + Сl2 = CuCl2
2) Реакции разложения (из одного сложного вещества образу-ется несколько простых или сложных)
2Н2O2 = 2H2O + O2
СаСО3 = СаО + СО2
3) Реакции замещения (из простого и сложного вещества обра-зуется простое и сложное)
Zn + CuSО4 = ZnSО4 + Cu
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
4) Реакции обмена (из двух сложных веществ образуется двасложных)
ВаСl2 + Na2SО4 = BaSO4↓ + 2NaCl
Pb(NО3)2 + 2КCl = РbСl2↓ + 2KNO3
НNО3 + КОН = КNО3 + Н2O
б) По изменению степени окисления элементов в ходе ре-акции.
1) Окислительно-восстановительные реакции.8НNО3 + 3Cu = 3Сu(NО3)2 + 2NO + 4Н2O
83
2Аl + 6НCl = 2АlCl3 + 3Н2
2) Реакции, в которых степень окисления не изменяется.2НCl + Са(ОН)2 = СаСl2 + 2Н2О
Na2CO3 + Ва(ОН)2 = ВаСО3↓ + 2NaOH
в) По обратимости.1) Обратимые (равновесные) реакции.
3H2 + N2����
2NH3
H2 + I2
�����2HI
2) Необратимые реакции.4Mg + 5H2SО4 = 4MgSО4 + H2S + 4Н2O
НNО3 + КОН = КNО3 + Н2O
г) По тепловому эффекту.1) Экзотермические реакции (протекающие с выделением
тепла)2Н2 + O2 = 2Н2O + Q
СН4 + 2O2 = СO2 + 2Н2O + Q
2) Эндотермические реакции (протекающие с поглощениемтепла).
Cu(OH)2 = CuO + H2O – Q
H2S = H2 + S – Q
Вопрос № 2Согласно схеме, приведите по два примера реакций разложе-
ния, соединения, замещения, кроме указанных в ней. Напишитеуравнения этих реакций. В уравнениях окислительно-восстано-вительных реакций проставьте степени окисления и покажитепереход электронов.
84
Химические реакции
разложения соединения
замещения обмена
���� ����
��� ���
Реакции, характерные для органических веществ
протекающиепо радикальному механизму
протекающиепо ионному механизму
��������
Ответ:1) Реакции соединения.
2Сu + О2. = 2СuО
3Al + 3S = Al2S3
2) Реакции разложения.2Аl(ОН)3 = Аl2О3 + 3Н2O
MgCO3 =MgO + СO2
3) Реакции замещения.Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
20Zne2Zn+
− →−
02Cue2Cu →+ −
+
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
20Mge2Mg+
− →−
0
2
1He2H2 →+ −
+
4) Реакции обмена.2НСl + Na2S = H2S↑ + 2NaCl
85
FеСl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓ + 3NaCl
5) Органические реакции, протекающие по радикальному ме-ханизму.
СН3–СН3 + Сl2 = СН3–CH2–Cl + НСl
СН4 + Cl2 = СН3Сl + НСl
6) Органические реакции, протекающие по ионному меха-низму.
СН2=СН2 + Вr2 = СН2Вr–СН2Вr
СН2=СН2 + Н2O����H+, t СН3–СН2–ОН
+ Br2
��������t, FeBr3
Br
+ HBr
Вопрос № 3На конкретных примерах поясните, что означают понятия
«тепловой эффект реакции», «теплота образования» и «теплотасгорания».
Ответ:Тепловым эффектом реакции называется количество выде-
ляющейся или поглощающейся при реакции теплоты.2Сu + O2 = 2CuO + Q
N2 + O2 = 2NO – Q
Теплотой образования называется количество теплоты, выде-ляющейся при образовании 1 моль вещества. Например, тепловойэффект реакции водорода с кислородом равен 571,6 кДж.
2Н2 + O2 = 2Н2O + 571,6 кДж
В реакции образуется 2 моль воды, значит теплота образованияводы равна 571,6/2 кДж = 285,8 кДж.
Теплотой сгорания вещества называется теплота, выделяю-щаяся при сгорании 1 моль вещества.
СН4 + 2O2 = СO2 + 2Н2O + 880 кДж
86
Вопрос № 4Какие реакции называются обратимыми и какие – необрати-
мыми? Приведите конкретные примеры.
Ответ:Обратимыми называются реакции, которые могут протекать
как в прямом, так и в обратном направлении. Необратимыми назы-вают реакции, протекающие до конца, то есть до тех пор, покаполностью не израсходуется одно из исходных веществ.
Необратимые реакции:СН4 + 2O2 = СO2 + 2Н2O
Na2CO3 + Ва(ОН)2 = ВаСО3↓ + 2NaOH
Обратимые реакции:2SO2 + O2
�����2SO3↑
СаСО3
�����СаО + CO2↑
Вопрос № 5При каких условиях ионные реакции протекают до конца?
Приведите в каждом случае по два примера и составьте уравне-ния этих реакций в молекулярном, полном и сокращенном ионномвиде.
Ответ:Ионные реакции протекают до конца при следующих усло-
виях:1) Образуется осадок.
Ва(NО3)2 + Na2SO4 = ВаSО4↓ + 2NаNО3(молекулярное уравнение)
Ва2+ + 2NО3– + 2Na+ + SO4
2– = BaSO4↓ + 2NО3– + 2Na+
(полное ионное уравнение)
Ba2+ + SO42– = BaSO4↓
(краткое ионное уравнение)
Рb(NО3)2 + 2КСl = РbСl2↓ + 2KNO3(молекулярное уравнение)
87
Рb2+ + 2NO3– + 2K+ + 2Сl– = 2NО3
– + 2К+ + РbСl2↓(полное ионное уравнение)
Pb2+ + 2Сl– = РbСl2↓(краткое ионное уравнение)
2) Выделяется газ.2НСl + К2СО3 = 2КСl + CO2 + Н2О
(молекулярное уравнение)
2H+ + 2Сl– + 2K+ + СО32– = 2K+ + 2Сl– + СО2↑ + Н2O
(полное ионное уравнение)
2Н+ + СО32– = CO2↑ + H2O
(краткое ионное уравнение)
2НСl + Na2S = 2NaCl + H2S↑(молекулярное уравнение)
2H+ + 2Сl– + 2Na+ + S2– = 2Na+ + 2Сl– + Н2S↑(полное ионное уравнение)
2Н+ + S2– = H2S↑(краткое ионное уравнение)
3) Образуется малодиссоциированное соединение.НNО3 + КОН = KNO3 + H2O(молекулярное уравнение)
Н+ + NO3– + K+ + ОН– = NO3
– + K+ + Н2О(полное ионное уравнение)
Н+ + ОН– = Н2О(краткое ионное уравнение)
H2SO4 + 2КОН = K2SO4 + 2Н2O(молекулярное уравнение)
2Н+ + SO42– + 2K+ + 20Н– = 2K+ + SO4
2– + 2Н2О(полное ионное уравнение)
Н+ +ОН– = Н2O(краткое ионное уравнение)
Вопрос № 6На конкретных примерах укажите основные факторы,
влияющие на скорость химических реакций.
88
Ответ:1) Скорость реакции зависит от природы реагирующих ве-
ществ.Металлы реагируют с соляной кислотой с различной скоро-
стью: магний реагирует быстрее железа, а медь не реагирует вовсе(за скоростью реакции легко следить по выделению пузырьков во-дорода).
Mg + 2НCl = MgCl2 + Н2↑
Fe + 2НCl = FeCl2 + H2↑
Cu + HCl������
Галогены реагируют с водородом с различной скоростью, на-пример хлор быстрее йода:
Сl2 + Н2 = 2НCl
I2 + H2 = 2HI
2) Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость ре-акции зависит от концентрации реагирующих веществ.
Оксид азота (II) реагирует с чистым кислородом быстрее, чем своздухом, в котором кислорода около 20% (за изменением скоро-сти реакции легко наблюдать, так как исходные вещества бесцвет-ны, а оксид азота (IV) окрашен в коричневый цвет).
2NO + O2 = 2NO2
3) Для веществ в твердом состоянии скорость реакции прямопропорциональна поверхности реагирующих веществ.
Чем сильнее измельчено твердое вещество, тем больше его по-верхность. Уголь в виде больших кусков сгорает в печи медленнее,чем измельченный:
С + O2 = CO2
Железные опилки реагируют с раствором сульфата меди быст-рее, чем железная пластинка такой же массы:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
4) При повышении температуры на каждые 10°С скоростьбольшинства реакций увеличивается в 2–4 раза.
89
Железо при обычной температуре реагирует с хлором оченьмедленно, при высокой же температуре протекает бурная реакция(железо горит в хлоре):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
Водород восстанавливает оксиды металлов при нагревании,при комнатной температуре эта реакция не идет.
Fе2О3 + 3H2 = 2Fe + 3Н2О
5) Скорость реакции зависит от присутствия некоторых ве-ществ (катализаторов и ингибиторов).
Реакция синтеза аммиака из азота и водорода протекаеттолько в присутствии катализаторов (железа со специальнымидобавками):
N2 + 3H2 = 2NH3
Реакция окисления аммиака также протекает только в присут-ствии катализатора (платины):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2О
Вопрос № 7Почему катализаторы увеличивают скорость химических ре-
акций? Приведите конкретные примеры.
Ответ:Катализаторы образуют промежуточные соединения с реаги-
рующими веществами. Затем эти соединения быстро превращают-ся в продукты реакции.
Например, известно что оксид марганца (IV) ускоряет реакциюразложения перекиси водорода:
2Н2О2 = 2Н2О + О2
Оксид марганца образует промежуточное соединение с пере-кисью водорода, которое разлагается на кислород и воду легче,чем сама перекись водорода. При этом также вновь образуется ок-сид марганца, поэтому по окончании реакции количество оксидамарганца не изменяется.
90
Вопрос № 8Из курсов неорганической и органической химии приведите
три-четыре примера каталитических реакций.
Ответ:Реакция синтеза аммиака из азота и водорода протекает
только в присутствии катализаторов (железа со специальнымидобавками):
N2 + 3Н2 = 2NH3
Реакция окисления аммиака также протекает только в присут-ствии катализатора (платины):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O
Гидрирование непредельных углеводородов протекает в при-сутствии катализатора – никеля или платины.
СН2=СН–СН3 + Н2����Ni, t
СН3–СН2–СН3
Реакция тримеризации ацетилена с образованием бензола про-текает в присутствии катализатора – активированного угля:
3НС≡СН���
t, кат
CH
CH
CH
CH
HC
HC
Задача № 1При сгорании 3,27 г цинка выделилось 174 кДж. Вычислите
теплоту образования оксида цинка (тепловой эффект).
Решение:
2Zn + O2 = 2ZnO
Молярная масса цинка равна 65 г/моль. Вычислим количествовещества цинка:
( ) ( )( ) моль05,0
моль/г65г27,3
ZnMZnmZn ≈==ν
По уравнению реакции из 2 моль цинка образуется 2 моль ок-сида цинка, значит из 0,05 моль цинка образуется 0,05 моль оксида
91
цинка. Теплотой образования называется количество теплоты, вы-деляющееся при образовании 1 моль вещества. При образовании0,05 моль выделилось 174 кДж тепла. Пусть при образовании 1моль выделится х кДж тепла. Составим пропорцию:
кДж348005,0
1174x,x1
17405,0
=⋅
==
Ответ: теплота образования оксида цинка равна 3480 кДж.
Задача № 2При восстановлении железа из 100 г оксида железа (III) алю-
минием выделилось 476,0 кДж. Определите тепловой эффектэтой реакции.
Решение:
Fe2O3 + 2Аl = Аl2О3 + 2Fe
Вычислим молярную массу оксида железа (III):М(Fe2O3) = 56 · 2 + 16 · 3 = 160 г/моль.
Вычислим количество вещества оксида железа (III):
( ) ( )( ) моль625,0
моль/г160г100
OFeMOFem
OFe32
3232 ===ν
Тепловой эффект реакции равен количеству тепла, выделяю-щегося при восстановлении 1 моль оксида железа (III). При вос-становлении 0,625 моль оксида железа (III) выделилось 476 кДжтепла. Пусть при восстановлении 1 моль оксида железа (III) выде-лится х кДж тепла. Составим пропорцию:
кДж6,761625,0
1476x,x1
476625,0
=⋅
==
Ответ: тепловой эффект реакции равен 761,6 кДж.
92
Глава V. Металлы
Задачи к §§1-10 (стр. 120)
Вопрос № 1Чем отличается строение атомов металлов от строения
атомов неметаллов и как это отражается на их химическихсвойствах?
Ответ:Атомы большинства неметаллов имеют 4 и более электрона на
внешней электронной оболочке, у атомов металлов же на внешнейоболочке находится от одного до трех электронов. Поэтому атомыметаллов в реакциях обычно теряют электроны и проявляют, та-ким образом, восстановительные свойства.
Вопрос № 2Руководствуясь строением атомов, охарактеризуйте общие и
отличительные физические свойства типичных металлов. Приве-дите примеры.
Ответ: Все металлы – твердые (кроме ртути) и все они имеют метал-
лический блеск. Все металлы в твердом состоянии являются хоро-шими проводниками тепла и электрического тока. Это объясняетсятем, что в металлах существует так называемая металлическаясвязь: кристаллическая решетка образована частично положитель-но заряженными ионами и частично – нейтральными атомами, аоторвавшиеся от атомов электроны свободно перемещаются покристаллу. Свободно перемещающиеся электроны обеспечиваютхорошую электропроводность (для того, чтобы вещество моглопроводить электрический ток, в нем должны существовать сво-бодные заряженные частицы). Атомы и ионы, образующие кри-сталлическую решетку металлов, слабо связаны между собой, от-дельные части кристалла легко перемещаются, сдвигаются относи-тельно друг друга, поэтому большинство металлов пластичны.
93
С другой стороны, свойства отдельных металлов сильно отли-чаются. Некоторые металлы имеют очень высокие температурыплавления (вольфрам, молибден, ниобий), а некоторые очень низ-кие (ртуть жидкая при комнатной температуре, галлий плавитсяпри 30°С). Некоторые металлы имеют высокую твердость (вольф-рам, платина, хром), иные настолько мягки, что легко режутся но-жом (щелочные металлы). Сильно различается плотность метал-лов. Самая малая плотность у щелочных металлов, очень высокуюплотность имеют золото, платина, вольфрам.
Вопрос № 3Из оксида железа Fe3O4 можно получить железо алюмино-
термическим способом. Составьте уравнение этой реакции и по-кажите переход электронов.
Ответ:
Fe3O4 + Al������ Fe + Al2O3
30Ale3Al+
− →− 130
Ale3Al+
− →− 2
03Fee3Fe →+ −
+1
02Fee2Fe →+ −
+3
Для облегчения расстановки коэффициентов применим здесьследующий прием: запишем отдельно уравнения восстановленияоксида железа (II) и оксида железа (III):
Fе2O3 + 2Аl = 2Fе + Аl2O3
3FеO + 2Аl = 3Fе + Аl2O3
Поскольку в оксиде железа Fе3O4 (FеО · Fе2O3) на 1 атом желе-за в степени окисления +2 приходится 2 атома железа в степениокисления +3, умножим первое уравнение на 3:
3Fе2O3 + 6Аl = 6Fе + 3Аl2O3
3FеO + 2Аl = 3Fе + Аl2O3
Сложив вместе оба уравнения, получим:3Fе3O4 + 8Аl = 9Fe + 4Аl2O3
94
Вопрос № 4Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно
получить железо из пирита FeS2. Проставьте степени окисленияи покажите переход электронов.
Ответ:
FeS2 + O2���
Fе2O3 + SO2
2
2
42
3
3
2
0
2
1
2
2OSOFeOSFe−+−+−+
+→+
Составим электронный баланс:41S2e10S2+
−−
→−
32FeeFe+
−+
→−
20
2 O2e4O−
− →+
4
11
(при расстановке коэффициентов учтем, что железо и кислород от-дают всего 10 + 1 = 11 электронов).
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SО2
Из оксида железа (III) можно получить железо при восстанов-лении, например, оксидом углерода (II).
Fе2О3 + 3СО = 2Fe + 3CO2
42Ce2C+
−+
→− 3
03Fee3Fe →+ −
+2
Окислителем является железо, восстановителем – углерод.
Вопрос № 5Бериллий Be и магний Mg находятся в одной группе периодиче-
ской системы химических элементов Д.И. Менделеева, однако хи-мические свойства у металлов бериллия и магния весьма различны.Поясните почему. Свой ответ подтвердите уравнениями соот-ветствующих реакций. Охарактеризуйте применение бериллия имагния.
95
Ответ:У бериллия и магния одинаковое строение внешнего элек-
тронного уровня:Be 1s22s2
Mg 1s22s22p63s2
Однако у атома бериллия радиус намного меньше, и элек-троны сильнее притягиваются к ядру. В связи бериллий прояв-ляет некоторые свойства, характерные для неметаллов. Напри-мер, оксид и гидроксид бериллия реагируют со щелочами с об-разованием солей:
ВеО + 2NaOH + H2O = Na2[Be(OH)4]
Be(OH)2 + NaOH = Na2[Be(OH)4]
Магний благодаря малой плотности применяется для изготов-ления легких сплавов. Бериллий обладает свойством отражать ней-троны и поэтому применяется в атомной технике. Кроме того, бе-риллий входит в состав некоторых специальных сплавов, напри-мер, для изготовления пружин.
Вопрос № 6Какими общими химическими свойствами обладают все ме-
таллы главных подгрупп, почему? Ответ подтвердите уравнениясоответствующих реакций.
Ответ:Все металлы главных подгрупп проявляют восстановительные
свойства. Это объясняется тем, что на внешнем электроном уровнеатомов металлов находится от одного до трех электронов, а радиусатома велик по сравнению с атомами неметаллов. Поэтому метал-лы легко теряют электроны. Все металлы главных подгрупп реаги-руют с галогенами, кислородом, серой:
Mg + Cl2 = MgCl2
4А1 + 3O2 = 2Аl2О3
2Na + S = Na2S
Наиболее активные металлы реагируют с водородом с образо-ванием гидридов:
2Na + H2 = 2NaH
96
Все металлы главных подгрупп реагирует с кислотами с выде-лением водорода:
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
2Аl + 6НCl = 2АlCl3 + 3Н2
Наиболее активные металлы реагируют с водой:2Na + 2H2O = 2NaOH + Н2
Са + 2Н2O = Са(ОН)2 + Н2
Вопрос № 7На основании каких свойств составлен электрохимический
ряд напряжений металлов? Почему ему дано такое название?(При ответе используйте знания из курсов физики и неорганиче-ской химии).
Ответ:Экспериментально можно определить положение металла в
ряду следующим образом: если собрать гальванический элементиз двух различных металлов, то более активный будет раство-ряться (окисляться). При этом возникнет электрический ток,направленный от более активного металла, теряющего электро-ны, к менее активному, и возникнет разность потенциалов (на-пряжение). Напряжение будет тем больше, чем больше различа-ется активность металлов, то есть чем дальше они отстоят другот друга в ряду активности. Собирая гальванические элементыиз различных металлов и определяя направление тока и величи-ну напряжения, можно расположить все металлы в ряд соответ-ственно их активности. Поскольку составление ряда основанона измерении величины возникающего напряжения, то рядобычно называют рядом напряжений.
Вопрос № 8Какие из металлов главных подгрупп имеют наибольшее зна-
чение в современной технике? Охарактеризуйте их свойства иприменение.
97
Ответ:Наиболее широко применяется алюминий. Плотность алюми-
ния намного меньше плотности железа, а сплавы на основе алю-миния обладают высокой прочностью. Поэтому алюминий приме-няется (в виде сплавов, в основном дюралюминия) в машино-строении для изготовления деталей автомобилей, самолетов и т.п.Алюминий имеет высокую электропроводность и применяется дляизготовления электрических проводов.
Магний благодаря малой плотности применяется для изготов-ления легких сплавов. Натрий, калий, кальций и магний проявляютсвойства сильных восстановителей и поэтому применяются длявосстановления других металлов из их соединении. Бериллий об-ладает свойством отражать нейтроны и поэтому применяется ватомной технике. Кроме того, бериллий входит в состав некоторыхспециальных сплавов, например, для изготовления пружин.
Вопрос № 9На конкретных примерах поясните, чем отличается строение
атомов элементов побочных подгрупп от строения атомов эле-ментов главных подгрупп.
Ответ:В металлах главных групп происходит заполнение электрона-
ми s- и р-орбиталей наружного электронного уровня. В металлахпобочных подгрупп происходит заполнение электронами d-подуровня предпоследнего электронного уровня. Примеры метал-лов главных подгрупп – магний, алюминий, калий:
Mg 1s22s22p63s2
Al 1s22s22p63s23p1
К 1s22s22p63s23p64s1
Примеры металлов побочных подгрупп – титан, марганец,никель:
Ti 1s22s22p63s23p63d24s2
Mn 1s22s22p63s23p63d54s2
Ni 1s22s22p63s23p63d84s2
Кроме того, у некоторых металлов побочных подгрупп проис-ходит переход электронов с s-орбиталей внешнего электронного
98
уровня на d-орбитали предпоследнего электронного уровня. При-мером могут служить атомы хрома и меди:
Сr 1s22s22p63s23p63d54s1
Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
Вопрос № 10Сравните свойства элементов главной и побочной подгрупп I
группы. На основании строения атома и свойств меди и калия по-ясните, в чем проявляются сходство и отличие элементов главнойи побочной подгрупп I группы.
Ответ:Электронные схемы атомов калия и меди:К 1s22s22p63s23p64s1
Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
Металлы побочных подгрупп проявляют восстановительныесвойства, но более слабые, чем металлы главных подгрупп. Этосвязано с тем, что при заполнении d-орбиталей предпоследнегоэлектронного уровня происходит уменьшение радиуса атомов посравнению с металлами главных подгрупп, и электроны внешнегоэлектронного уровня сильнее притягиваются к ядру.
Вопрос № 11Охарактеризуйте свойства и применение меди. Приведите
соответствующие уравнения реакций.
Ответ:Физические свойства. Металл красноватого цвета, темпера-
тура плавления 1083 °С, плотность 11,3 г/см3. Очень хороший про-водник тепла и электрического тока.
Химические свойства. При нагревании реагирует с кислоро-дом, серой, галогенами.
2Cu + O2 = 2CuO
Cu + S = CuS
Cu + Сl2 = СuСl2
Медь в ряду напряжений находится правее водорода, поэтомуне реагирует с кислотами с выделением водорода. Однако при на-
99
гревании медь реагирует с концентрированной серной и азотнойкислотами, проявляя восстановительные свойства.
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2Н2О
Cu + 4НNО3 = Cu(NО3)2 + 2NO2 + 2Н2O
Применение. Медь обладает высокой электропроводностью ипоэтому широко применяется в электротехнике для изготовленияпроводов, контактов, обмоток трансформаторов и электродвигате-лей и т.п. Медь входит в состав многих сплавов (бронза, латунь),применяемых в машиностроении.
Вопрос № 12Составьте уравнения реакций, характеризующих химические
свойства цинка как представителя побочной подгруппы II группы,и поясните, для каких целей используют цинк.
Ответ:Химические свойства. При повышенной температуре цинк
реагирует с кислородом, серой, галогенами.2Zn + О2 = 2ZnO
Zn + S = ZnS
Zn + Cl2 = ZnCl2
Цинк реагирует с кислотами с выделением водорода:Zn + 2НСl = ZnCl2 + Н2
С концентрированной серной кислотой цинк реагирует с выде-лением оксида серы (IV):
Zn + 2H2SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2Н2O
С концентрированной азотной кислотой цинк реагирует с вы-делением оксида азота (IV), а с 30%-ной азотной кислотой – с вы-делением оксида азота (II).
Zn + 4НNО3 = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2Н2O
3Zn + 8HNO3 = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4Н2О
Применение. Цинк применяется для защиты железа от корро-зии. Сплав меди с цинком (латунь) применяют в машиностроении.
100
Вопрос № 13На основании чего можно утверждать, что титан является
одним из важнейших металлов в современной технике7
Ответ:Титан обладает высокой прочностью, высокой температурой
плавления, устойчив к действию кислорода. Поэтому его широкоприменяют для изготовления деталей самолетов, ракет, космиче-ских летательных аппаратов, кораблей, химической аппаратуры.
Вопрос № 14Какие степени окисления характерны для хрома в его соедине-
ниях? Приведите примеры. Составьте схему размещения элек-тронов по орбиталям в атоме хрома.
Ответ:Схема размещения электронов в атоме хрома:
Cr 1s22s21p63s23p63d54s1
Хром в соединениях чаще всего проявляет степени окисления+3 и +6. Примеры соединений хрома со степенью окисления +3 –оксид хрома (III) Сr2О3, хлорид хрома (III) СrС13, сульфат хрома(III) Сr2(SO4)3.
Примеры соединений хрома со степенью окисления +6: оксидхрома (VI) СrО3, хромовая кислота H2CrO4, хромат натрияNa2CrO4, бихромат калия К2Сr2О7.
Вопрос № 15Назовите области применения хрома.
Ответ:Хром применяют для защиты железа от коррозии (хромирова-
ние). Хром входит в состав нержавеющей стали, так называемойбыстрорежущей стали для изготовления металлорежущих инстру-ментов (резцы, сверла и т. п.).
Вопрос № 16Составьте уравнения реакций железа с простыми и сложны-
ми веществами Покажите переход электронов и поясните, что
101
окисляется и что восстанавливается, что является окислителеми что восстановителем.
Ответ:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
30Fee3Fe+
− →− 2
1
2
0Cle2Cl2−
− →+ 3
Окислителем является хлор, восстановителем – железо.Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
20Fee2Fe+
− →− 1
0
2
1He2H2 →+ −
+1
Окислителем является водород, восстановителем – железо.Fe + Pb(NO3)2 = Pb + Fe(NO3)2
20Fee2Fe+
− →− 1
02Pbe2Pb →+ −
+1
Окислителем является свинец, восстановителем – железо.
Вопрос № 17Почему применение чистого железа ограничено?
Ответ:Чистое железо малопригодно для изготовления инструментов,
деталей машин и т.д., потому что оно слишком мягкое. Основныесплавы железа – чугун и сталь. В них основной компонент, поми-мо железа – углерод.
Вопрос № 18Что такое сплавы и как их классифицируют?
102
Ответ:Сплавами называют системы из нескольких металлов или не-
металлов, обладающие характерными свойствами металлов.Сплавы классифицируют:1) По числу компонентов – на двойные, тройные и т.д.2) По структуре – на однофазные (гомогенные) и многофазные
(гетерогенные).3) На черные (основной компонент – железо) и цветные (ос-
новной компонент – какой либо другой металл).4) По свойствам – на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопроч-
ные, жаропрочные, твердые, мягкие, коррозионно-устойчивые ит.д.
5) По возможности обработки – на литейные (обработка толь-ко литьем) и деформируемые (обработка штамповкой, ковкой,прокатыванием, волочением).
Вопрос № 19Охарактеризуйте состав и свойства чугунов, важнейших ле-
гированных сталей и области их применения.
Ответ:Чугун – сплав железа (96% по массе) с углеродом (4% по массе).Чугун бывает белым и серым.Белый чугун более хрупкий, чем серый, но более коррозийно-
стойкий. Поэтому серый чугун применяют там, где нет необходи-мости в его коррозионной стойкости, а белый – там, где стойкостьнеобходима (чугун применяется в промышленности).
Если медленно охлаждать расплав железа с углем, то получа-ется белый чугун, иначе – серый.
Легированные стали содержат различные легирующие добав-ки, такие, как Cr, Mn, Ni, Mo, Ti, V. Они применяются для получе-ния коррозийно-стойких сплавов (например, нержавеющая стальсодержит 37-40% Cr, Ni).
Х30Р20 – вид сплава, содержащий 30% Cr, 20% Ni.
Вопрос № 20Назовите важнейшие сплавы цветных металлов, примерный
их состав, свойства и применение.
103
Ответ:Бронза: Cu (70-96%), Sn (все остальное).Константан: Cu (55%), Ni (44%).Латунь: Cu (54-90%), Zn (все остальное).Нойзильбер: Cu (50-65%), Ni (8-26%), Zn (все остальное).Применение:Бронза – изготовление деталей машин.Константан – материал электросопротивления.Латунь – изготовление проводов, листов, профилей, арматуры.Нойзильбер – материал для приборов точной механики и ме-
дицины.
Вопрос № 21От каких факторов зависят свойства оксидов и гидроксидов
металлов? Поясните на конкретных примерах.
Ответ:Свойства оксидов и гидроксидов металлов зависят от степени
окисления металла. Чем выше степень окисления металла, темсильнее выражены его кислотные свойства. Это хорошо видно напримере оксидов хрома.
Оксид хрома (II) и гидроксид хрома (II) проявляют основныесвойства. При реакциях с кислотами они образуют соли.
СrO + 2НСl = СrСl2 + Н2О
Сr(ОН)2 + 2НСl = CrCl2 + 2Н2O
Оксид и гидроксид хрома (III) амфотерны, они реагируют как скислотами, так и с основаниями:
Сr2О3 + 6HCl = 2СrСl3 + 3Н2О
Сr2О3 + 2NaOH + 3Н2О = 2Na[Cr(OH)4]
Сr(ОН)3 + 3НСl = СrСl3 + 3Н2О
Сr(ОН)3 + NaOH = Na[Cr(OH)4]
Оксид хрома (VI) является кислотным оксидом, при реакции сводой образует хромовую кислоту Н2CrO4:
СrO3 + Н2О = Н2CrO4
104
При реакции хромовой кислоты или оксида хрома (VI) с осно-ваниями образуются соли – хроматы:
СrО2 + 2NaOH = Na2CrO4 + Н2О
Н2СrО4, + 2NaOH = Na2CrO4 + 2Н2O
Задача № 1Какую массу чистого железа можно получить из 250 т руды с
массовой долей пирита FeS2 0,7, если выход составляет 82%?
Решение:Из пирита сначала получают оксид железа (III):
FeS2 + О2 ���
Fе2О3 + SO2
Для расстановки коэффициентов воспользуемся методом элек-тронного баланса:
24
2
23
32
0
2
12
2 SOOFeOFeS−+−+−+
+→+
41S2e10S2+
−−
→−
32FeeFe+
−+
→−
20
2 O2e4O−
− →+
4
1
4FeS2 + 11O2 = 2Fе2О3 + 8SO2
Из оксида железа (III) железо можно получить при помощи любо-го подходящего восстановителя, например оксида углерода (II):
Fе2О3 + ЗСО = 2Fe + ЗСО2 (2)
Вычислим массу чистого пирита в руде:M(FeS2) = w(FеS2) · m(руды) = 0,7 · 250 т = 175 т.
Вычислим молярную массу пирита:M(FeS2) = 56 + 32 · 2 = 120 г/моль
Вычислим количество вещества пирита:
( ) ( )( ) моль1046,1
моль/г120г10175
FeSMFeSmFeS 6
6
2
22 ⋅≈
⋅==ν
105
По уравнению (1) из 4 моль пирита получится 2 моль оксидажелеза. По уравнению (2) из 1 моль оксида железа получается 2моль железа. Всего, значит, из 4 моль пирита получается 4 мольжелеза. Следовательно, из 1,46·106 моль пирита при теоретическом100% выходе можно получить 1,46·106 моль железа. Посколькувыход железа составляет 82%, или 0,82, практически можно полу-чить 0,82 · 1,46·106 ≈ 1,2·106 моль. Молярная масса железа равна 56г/моль, вычислим массу железа:
m(Fe) = ν(Fe) · M(Fe) = 1,2·106 моль · 56 г/моль = 67,2 · 106 = 67,2 т.
Ответ: можно получить 67,2 т железа.
Задача № 2При электролизе раствора хлорида натрия выделилось 7,2 л
водорода (н. у.). Вычислите, сколько по массе и количеству веще-ства образовалось гидроксида натрия в растворе.
Решение:Запишем уравнения процессов, происходящих на электродах:
22 HOH2e2OH2 +→+ −− 1
2Cle2Cl2 →− −− 1
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Сl2 + Н2
Таким образом, в растворе образуется гидроксид натрия, на ка-тоде выделяется водород, а на аноде хлор.
Вычислим количество вещества выделившегося водорода:
( ) ( )моль32,0
моль/л4,22л2,7
VHV
HM
22 ≈==ν
По уравнению реакции на 1 моль выделившегося на катоде во-дорода приходится 2 моль образовавшегося в растворе гидроксиданатрия. Пусть при выделении 0,32 моль водорода в растворе обра-зуется х моль гидроксида натрия. Составим пропорцию:
моль64,01
232,0x,32,0x
12
=⋅
==
Определим молярную массу гидроксида натрия:
106
M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль
Вычислим массу гидроксида натрия:m(NaOH) = ν(NaOH) · M(NaOH) = 0,64 моль · 40 г/моль = 25,6 г.
Ответ: в растворе образовалось 0,64 моль (25,6 г) гидроксиданатрия.
Задача № 3Через 1 л 18%-го раствора сульфата меди (II) (ρ = 1,12 г/см3)
пропустили 23,2 л сероводорода. Какое вещество и сколько помассе выпало в осадок?
Решение:В осадок выпадает сульфид меди (II):
CuSO4 + H2S = CuS↓ + H2SO4
Вычислим количество вещества сероводорода:
( ) ( )моль036,1
моль/л4,22л2,23
VSHV
SHM
22 ≈==ν
Вычислим массу раствора сульфата меди:m(раствора) = ρ · V = 1,12 г/мл · 1000 мл = 1120 г.
Вычислим массу сульфата меди в растворе:m(CuSO4) = c(CuSO4) · m(раствора) = 0,18 · 1120 г = 201,6 г
Определим молярную массу сульфата меди:M(CuSO4) = 64 + 32 + 16 · 4 = 160 г/моль
Вычислим количество вещества сульфата меди:
( ) ( )( ) моль26,1
моль/г160г6,201
CuSOMCuSOm
CuSO4
44 ===ν
По уравнению реакции 1 моль сероводорода реагирует с 1моль сульфата меди, значит в реакцию с 1,036 моль сероводородавступит 1,036 моль сульфата меди, то есть сульфат меди взят в из-бытке и расчет ведем по сероводороду. По уравнению реакции из 1моль сероводорода образуется 1 моль сульфида меди (II), значит из1,036 моль сероводорода образуется 1,036 моль сульфида меди (II).Вычислим молярную массу сульфида меди (II):
M(CuS) = 64 + 32 = 96 г/моль.
107
Вычислим массу сульфида меди (II):m(CuS) = ν(CuS) · M(CuS) = 1,036 моль · 96 г/моль ≈ 120,96 г.
В осадок выпадает 121 г сульфида меди (II).
Задача № 4При действии на 9 г смеси, состоящей из металлического
алюминия и его оксида, 40%-ным раствором гидроксида натрия (ρ= 1,4 г/см3) выделилось 3,36 л газа (н. у.). Определите процентныйсостав исходной смеси и объем раствора NaOH, вступившего вреакцию.
Решение:Уравнения реакций:
2Аl + 2NaOH + 6Н2О = 2Na[Al(OH)4] + 3Н2 (1)
Аl2O3 + 2NaOH + 3Н2О = 2Na[Al(OH)4] (2)
Вычислим количество вещества выделившегося водорода:
( ) ( )моль15,0
моль/л4,22л36,3
VHV
HM
22 ===ν
По уравнению реакции при взаимодействии 2 моль алюминияс раствором щелочи выделяется 3 моль водорода. Пусть 0,15 мольводорода выделится при реакции x моль алюминия с растворомщелочи. Составим пропорцию:
моль1,03
215,0x,15,0x
32
=⋅
==
Молярная масса алюминия равна 27 г/моль, вычислим массуалюминия:
m(Al) = ν(Al) · M(Al) = 0,1 моль · 27 г/моль = 2,7 г
Вычислим массовую долю алюминия в смеси:
( ) ( )( ) %30%100
г9г7,2%100
смесиmAlmAlw =⋅=⋅=
Вычислим массовую долю оксида алюминия в смеси:w(Аl2О3) = 100% – w(Al) = 70%.
По уравнению (1) 2 моль алюминия реагирует с 2 моль гидро-ксида натрия, значит 0,1 моль алюминия реагирует с 0,1 моль гид-
108
роксида натрия. В смеси содержится 9 – 2,7 = 6,3 г оксида алюми-ния. Вычислим молярную массу оксида алюминия:
М(Аl2O3) = 27 · 2 + 16 · 3 = 102 г/моль.
Вычислим количество вещества оксида алюминия:
( ) ( )( ) моль062,0
моль/г102г3,6
OAlMOAlm
OAl32
3232 ≈==ν
По уравнению реакции (2) 1 моль оксида алюминия реагируетс 2 моль гидроксида алюминия. Пусть 0,062 моль оксида алюми-ния реагирует с х моль гидроксида натрия. Составим пропорцию:
моль124,01
2062,0x,х062,0
21
=⋅
==
Таким образом, всего необходимо 0,1 + 0,124 = 0,224 моль гидро-ксида натрия. Определим молярную массу гидроксида натрия:
M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль
Вычислим массу гидроксида натрия:m(NaOH) = ν(NaOH) · M(NaOH) = 0,224 моль · 40 г/моль = 8,96 г.
Вычислим массу раствора гидроксида натрия с концентрацией40%, или 0,4.
( ) ( )( ) г4,22
4,0г96,8
NaOHcNaOHmраствораm ≈==
Вычислим объем раствора: гидроксида натрия:
мл16мл/г4,1г4,22mV ==
ρ=
Ответ: в смеси содержится 30% алюминия и 70% оксида алю-миния; потребуется 16 мл раствора гидроксида натрия.
Задача № 5Вещество, полученное при прокаливании 1,28 г меди в струе
кислорода, превратили в хлорид меди (II). Вычислите, какой объем(в мл) 4%-ной соляной кислоты (ρ = 1,02 г/см3) израсходовали икакова масса выделившегося хлорида меди (II).
Решение:При прокаливании меди в кислороде образуется оксид меди (II):
109
2Cu + О2 = 2CuO (1)
При реакции оксида меди (II) с соляной кислотой образуетсяхлорид меди (II):
СuО + 2НСl = СuСl2 + H2O
Молярная масса меди равна 64 г/моль. Вычислим количествовещества меди:
( ) ( )( ) моль02,0
моль/г64г28,1
CuMCumCu ===ν
По уравнению реакции (1) из 2 моль меди образуется 2 мольоксида меди (II), значит из 0,02 моль меди образуется 0,02 мольоксида меди (II). По уравнению (2) 1 моль оксида меди (II) реаги-рует с 2 моль хлороводорода. Пусть 0,02 моль оксида меди (II) реа-гирует с х моль хлороводорода. Составим пропорцию:
моль04,01
202,0x,х02,0
21
=⋅
==
Определим молярную массу хлороводорода:М(НСl) = 1 +35,5 = 36,5 г/моль.
Вычислим массу хлороводорода:m(HCl) = ν(HCl) · M(HCl) = 0,04 моль· 36,5 г/моль = 1,46 г.
Вычислим массу 4%-ной соляной кислоты:
( ) ( )( ) г5,36
04,0г46,1
HClcHСlmкислотыm ===
Вычислим объем соляной кислоты:
мл8,35мл/г02,1г5,36mV ≈=
ρ=
По уравнению реакции (2) из 1 моль оксида меди (II) образует-ся 1 моль хлорида меди (II), значит из 0,02 моль оксида меди (II)образуется 0,02 моль хлорида меди (II). Определим молярную мас-су хлорида меди (II):
М(СuСl2) = 64 + 35,5 · 2 = 135 г/моль.
Вычислим массу хлорида меди (II):m(CuCl2) = ν(CuCl2) · M(CuCl2) = 0,02 моль · 135 г/моль = 2,7 г.
110
Ответ: израсходовали 35,8 мл соляной кислоты; образовалось2,7 г хлорида меди (II).
Глава VI. Неметаллы
Задачи к §§1-3 (стр.140)
Вопрос № 1Чем отличается строение атомов и простых веществ неме-
таллов от металлов?
Ответ:а) Атомы большинства неметаллов имеют 4 и более электрона
на внешней электронной оболочке, у атомов металлов же на внеш-ней оболочке находится от одного до трех электронов.
б) Простые вещества – металлы всегда образуют так называе-мую металлическую кристаллическую решетку. Простые вещества– неметаллы либо образуют атомную решетку (например, углерод,кремний, сера, фосфор), либо имеют молекулярное строение (на-пример, водород, кислород, азот).
Вопрос № 2На основе периодической системы выявите закономерности,
наблюдаемые при изменении окислительно-восстановительныхсвойств неметаллов.
Ответ:В группах периодической системы при движении сверху вниз
окислительные свойства неметаллов ослабевают, и соответственновосстановительные свойства усиливаются.
В периодах окислительные свойства неметаллов усиливаютсяслева направо.
Вопросы №№ 4-5Какие закономерности наблюдаются в изменении свойств ки-
слотных оксидов в периодах и группах? Даны формулы кислотных
111
оксидов: a) N2O5, CO2, Cl2O7 и SO3; б) P2O5, As2O5, N2O5 и Sb2O5. Рас-положите их в порядке возрастания кислотных свойств оксидов.
Ответ:Кислотные свойства оксидов элементов усиливаются в перио-
дах слева направо и в группах снизу вверх. Поэтому порядок будетследующим:
а) СО2, N2O5, SO3, Cl2O7
б) Sb2O5, AS2O5, P2O5, N2O5
Вопрос № 6Пользуясь таблицей учебника (стр. 134), дополнительно на-
пишите по два-три уравнения химических реакций кислотных ок-сидов, не представленных в таблице, с основаниями, основнымиоксидами, водой.
Ответ:1) Реакции с основаниями:
SO3 + 2NaOH = Na2SO4 + Н2О
Р2O5 + 6КОН = 2К3РO4 + 3Н2O
2NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + Н2O
2) Реакции с основными оксидами:SO2 + СаО = СаSО3
P2O5 + 3СаО = Са3(РO4)2
CO2 + Na2O = Na2CO3
3) Реакции с водой:Сl2О7 + Н2O = 2НСlO4
N2O5 + Н2O = 2HNO3
Вопрос № 7Укажите сходные и отличительные химические свойства
серной и азотной кислот.
112
Ответ:Общие свойства. Концентрированные серная и азотная кисло-
ты являются сильными окислителями. В азотной кислоте окисли-телем служит азот в степени окисления +5, в серной кислоте – серав степени окисления +6:
Cu + 4НNО3 = Cu(NО3)2 + 2NO2 + 2Н2O
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2Н2O
Отличительные свойства. Разбавленная серная кислота реа-гирует с металлами с выделением водорода, то есть окислителемслужит водород в степени окисления +1.
Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2
20Mge2Mg+
− →−0
2
1He2H2 →+ −
+
В разбавленной азотной кислоте же окислителем все равно яв-ляется азот в степени окисления +5. Состав продуктов реакции за-висит от концентрации кислоты и химической активности металла:
3Zn + 8HNO3 = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
4Mg + 10HNO3 = 4Mg(NO3)2 + N2О + 5H2O
Вопрос № 8При взаимодействии концентрированной серной кислоты с
железом степень окисления серы изменяется от +6 до +4. Со-ставьте уравнение.
Ответ:
2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6Н2O
46Se2S+
−+
→+ 3
30Fee3Fe+
− →− 12
Вопрос № 9Почему нелетучие водородные соединения так резко отлича-
ются от летучих водородных соединений?
113
Ответ:Нелетучие водородные соединения образуют металлы, водо-
род в них имеет степень окисления -1. Эти вещества имеют ионноестроение Например, гидрид натрия состоит из катионов Na+ и гид-рид-ионов Н-. Летучие водородные соединения образуют неметал-лы. Водород в таких соединениях имеет степень окисления +1, хи-мическая связь в молекулах таких веществ ковалентна. Примеры –вода Н2О, сероводород H2S, аммиак NH3.
Вопрос № 10Какие закономерности наблюдаются в изменении свойств ле-
тучих водородных соединений в периодах и группах? Охарактери-зуйте их сущность.
Ответ:В периодах кислотные свойства летучих водородных соедине-
ний усиливаются слева направо. В группах кислотные свойства ле-тучих водородных соединений усиливаются сверху вниз. Это свя-зано с тем, что в группах радиус атомов увеличивается сверхувниз, и следовательно увеличивается радиус отрицательно заря-женных ионов. Чем больше радиус отрицательно заряженных ио-нов, тем слабее они притягивают к себе ионы водорода. Следова-тельно, чем больше радиус атома, тем легче отщепляется ион Н+,то есть тем больше сила кислоты.
Вопрос № 11Составьте уравнения реакций, при помощи которых молено
осуществить следующие превращения:
a) Cl2
Ca(ClO)2����
KClO3
��������
Cl2FeCl3 Fe4[Fe(CN)6]3
��� �������� ���
HCl����
CaCl2 AgCl��� ����
Уравнения реакций, если это возможно, составьте в полном исокращенном ионном виде
114
Ответ:а) При реакции хлора с гидроксидом кальция образуется смесь
хлорида кальция и гипохлорита кальция:2Са(ОН)2 + 2Сl2 = СаСCl2 + Са(ОСl)2 + 2H2O
2OН– + Сl2 = Сl– + ОСl– + Н2О
При реакции хлора с горячим раствором гидроксида калия об-разуется хлорат калия:
6КОН + 3Сl2 = КСO3 + 5КСl + 3Н2O
50Cle5Cl+
− →− 1
10CleCl−
− →+ 5
6OН– + 3Cl2 = 5Сl– + СlO3– + 3Н2O
Хлорат калия является сильным окислителем, при его реакциис соляной кислотой выделяется хлор:
6НСl + КсlO3 = КСl + 3Сl2 + 3Н2O
0
2
1Cle2Cl2 →− −
−3
15Cle6Cl−
−+
→+ 1
6H+ + 5Сl– + СlO3– = 3Сl2 + 3Н2O
Хлор реагирует с водородом с образованием хлороводорода:Н2 + Сl2 = 2НСl
При реакции хлороводорода с гидроксидом кальция образует-ся хлорид кальция:
Са(ОН)2 + 2НСl = CaCl2 + 2Н2О
ОН– + H+ = H2O
При реакции раствора хлорида кальция с раствором нитратасеребра в осадок выпадает хлорид серебра:
СаСl2 + 2AgNO3 = 2AgCl↓ + Ca(NC3)2
Cl– + Ag+ = AgCl↓
115
При реакции хлора с железом при нагревании образуется хло-рид железа (III):
2Fe + 3Сl2 = 2FеСl3
При реакции раствора хлорида железа (III) с раствором гекса-цианоферрата (II) калия (желтая кровяная соль) образуется осадокгексацианоферрата (II) железа (III), так называемая берлинская ла-зурь:
4FеСl3 + 3К4[Fе(СN)6] = Fе4[Fe(СN)6]3 + 12КСl
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4– = Fе4[Ре(СN)6]3
б)
SFeS2����
H2S
�������� ���� SO2 SO3 H2SO4 Fe(SO4)3 BaSO4
���� ���� ��� ����������
При реакции серы с железом при нагревании можно получитьдисульфид железа FeS2:
Fe + 2S = FeS2
Сера реагирует при нагревании с водородом с образованиемсероводорода:
S + H2 = H2S
При окислении дисульфида железа образуется оксид серы (IV):4FeS2 + 11O2 = 2Fе2О3 + 8SO2
41S2e10S2+
−−
→−
32FeeFe+
−+
→−
20
2 O2e4O−
− →+
4
11
Оксид серы (IV) образуется также при сжигании серы или се-роводорода:
S + O2 = SO2
2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2Н2O
116
При окислении оксида серы (IV) кислородом в присутствиикатализатора и при повышенной температуре образуется оксид се-ры (VI) (триоксид серы, серный ангидрид):
2SO2 + O2 = 2SO3
Триоксид серы бурно реагирует с водой с образованием сернойкислоты:
SO3 + Н2O = Н2SO4
При реакции серной кислоты с оксидом железа (111) образует-ся сульфат железа (III):
Fe2O3 + 3H2SO4 = Fе2(SO4)3 + 3Н2О
Fe2O3 + 6H+=2Fe3+ + 3H2O
При реакции сульфата железа (III) с хлоридом бария выпадаетосадок сульфата бария:
Fe2(SO4)3 + 3ВаСl2 = 3BaSO4↓ + 2FеСl3
Ba2+ + SO42– = BaSO4↓
в)
N2 NO NO2
���� ���NHO3
NO
N2O
NH4NO3 NH3����
���
������
���� ���
NH3
������
���
Азот реагирует с кислородом в условиях электрического раз-ряда с образованием оксида азота (II):
N2 + O2 = 2NO
В присутствии катализатора азот реагирует с водородом с об-разованием аммиака:
N2 + 3Н2 = 2NН3
При окислении аммиака кислородом в присутствии катализа-тора образуется оксид азота (II):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2О
Оксид азота (II) окисляется кислородом в оксид азота (IV):2NO + О2 = 2NO2
117
Оксид азота (IV) реагирует в присутствии кислорода с водой собразованием азотной кислоты:
4NO2 + 2Н2О + O2 = 4НNO3
При реакции 30%-ной азотной кислоты с медью выделяетсяоксид азота (II):
8НNО3 + 3Сu = 3Си(NО3)2 + 2NO + 4Н2O
20Cue2Cu+
− →− 3
25Ne3N+
−+
→+ 2
8H+ + 2NO3– + 3Сu = 3Сu2+ + 2NO + 4Н2O
При реакции разбавленной (15%-ной) азотной кислоты с цин-ком выделяется оксид азота (I):
10HNO3 + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5Н2O
20Zne2Zn+
− →− 4
15N2e8N2+
−+
→+ 1
10H+ + 2NO3– + 4Zn = 4Zn2+ + N2O + 5Н2O
При реакции сильно разбавленной (5%-ной) азотной кислоты смагнием образуется нитрат аммония:
4Mg + 10HNO3 = NH4NO3 + 4Mg(NO3)2 + 3Н2O
20Mge2Mg+
− →− 4
35Ne8N−
−+
→+ 1
10Н+ + NO3– + 4Mg = 4Mg2+ + NH4
+ + 3Н2O
При действии щелочи на нbтрат аммония выделяется аммиак:NH4NO3 + NaOH = NaNO3 + NH3 + Н2O
NH4+ + OH– = NH3 + H2O
118
Задача № 1На 12,8 г меди подействовали избытком концентрированной
серной кислоты при нагревании. Вычислите массу, объем (н.у.) иколичество выделившегося газа.
Решение:Выделяется оксид серы (IV):
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2Н2O
Молярная масса меди равна 64 г/моль. Вычислим количествовещества меди:
( ) ( )( ) моль2,0
моль/г64г8,12
CuMCumCu ===ν
По уравнению реакции при взаимодействии 1 моль меди с сер-ной кислотой выделяется 1 моль оксида серы (IV), значит при ре-акции 0,2 моль меди с серной кислотой выделяется 0,2 моль окси-да серы (IV). Вычислим объем оксида серы (IV):
V(SО3) = ν(SO2) · VM = 0,2 моль · 22,4 л/моль = 4,48 л.
Определим молярную массу оксида серы (IV):M(SO2) = 32 + 16 · 2 = 64 г/моль.
Вычислим массу оксида серы (IV):m(SO2) = ν(SO2) · M(SO2) = 0,2 моль · 64 г/моль = 12,8 г.
Ответ: выделится 0,2 моль (12,8 г; 4,48 л) оксида серы (IV).
Задача № 2На 0,9 моль карбоната кальция подействовали 540 мл 8%-ной
соляной кислоты (ρ = 1,04 г/см3). Какой газ и сколько его по объе-му выделится?
Решение:Выделяется оксид углерода (IV):
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + H2O + СO2
Вычислим массу соляной кислоты:m(кислоты) = ρ · V = 1,04 г/мл · 540 мл = 561,6 г.
Вычислим массу хлороводорода, содержащегося в соляной ки-слоте:
119
m(НСl) = с(НСl) · m(кислоты) = 0,08 · 561,6 г ≈ 44,93 г.
Определим молярную массу хлороводорода:М(НСl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль.
Вычислим количество вещества хлороводорода:
( ) ( )( ) моль23,1
моль/г5,36г93,44
HClMHClmHCl ≈==ν
По уравнению реакции 1 моль карбоната кальция реагирует с 2моль хлороводорода. Пусть для реакции с 0,9 моль хлороводороданеобходимо х моль хлороводорода. Составим пропорцию:
моль8,11
29,0х,х9,0
21
=⋅
==
Необходимо 1,8 моль хлороводорода, а имеется только 1,23моль. Значит, карбонат кальция взят в избытке, расчет ведем посоляной кислоте. По уравнению при взаимодействии 2 моль хло-роводорода с карбонатом кальция выделяется 1 моль оксида угле-рода (IV). Пусть при взаимодействии 1,23 моль хлороводорода скарбонатом кальция выделяется х моль оксида углерода (IV). Со-ставим пропорцию:
моль615,11
223,1х,23,1х
21
=⋅
==
Вычислим объем оксида углерода (IV):V(СО2) = ν(CO2) · VM = 0,615 моль · 22,4 л/моль ≈ 13,78 л.
Ответ: выделится 13,78 л оксида углерода (IV).
Задача № 3В 40 мл 6%-го раствора нитрата серебра (1) (ρ = 1,05 г/см3)
растворили 250 мл хлороводорода. Какое вещество и сколько помассе выпадает в осадок?
Решение:
AgNO3 + НСl = AgCl↓ + HNO3
Вычислим массу раствора нитрата серебра:m(раствора) = ρ · V = 1,05 г/мл · 40 мл = 42 г.
Вычислим массу нитрата серебра, содержащегося в растворе:
120
m(AgNO3) = c(AgNO3) · m(раствора) = 0,06 · 42 г = 2,52 г.
Определим молярную массу нитрата серебра:M(AgNO3) = 108 + 14 + 16 · 3 = 170 г/моль.
Вычислим количество вещества нитрата серебра:
( ) ( )( ) моль0148,0
моль/г170г52,2
AgNOMAgNOm
AgNO3
33 ≈==ν
Вычислим количество вещества хлороводорода:
( ) ( ) моль0112,0моль/л4,22л25,0
VHClVHCl
M≈==ν
По уравнению реакции 1 моль хлороводорода реагирует с 1моль нитрата серебра, значит для реакции с 0,0148 моль нитратасеребра необходимо 0,0148 хлороводорода, а имеется только0,0112 моль, значит нитрат серебра взят в избытке, расчет ведем похлороводороду. Из 1 моль хлороводорода образуется 1 моль хло-рида серебра, значит из 0,0112 моль хлороводорода образуется0,0112 моль хлорида серебра. Определим молярную массу хлоридасеребра:
M(AgCl) = 108 + 35,5 = 143,5 г/моль.
Вычислим массу хлороводорода:m(AgCl) = ν(AgCl) · M(AgCI) = 0,0112 моль · 143,5 г/моль ≈ 1,6 г.
Ответ: в осадок выпадает 1,6 г хлорида серебра.
Глава VII. Генетическая связь органическихи неорганических веществ
Задачи к §§1, 2 (стр.144)
Вопрос № 1Составьте уравнения реакций по следующей схеме, отра-
жающей генетическую связь между органическими и неорганиче-скими веществами:
121
а)
CO
HCH3 C
O
OHCH3
CaCO3 CaC2
������
��
C H C C H������
��������
��������
��� ����
H C C H
��� ���
C2H5OH HO CH2 CH2 OH
C6H6 C6H5NO2 C6H5NH2��� ����
������
HOOC COOH
Ответ:При сильном нагревании карбонат кальция разлагается на ок-
сид кальция и оксид углерода (IV):СаСО3 = СаО + СО2
Оксид кальция при высокой температуре реагирует с углем собразованием карбида кальция:
2СаО + 5С = 2СаС2 + СO2
При действии на карбид кальция воды получается ацетилен:СаС2 + 2Н2О = НС≡СН + Са(ОН)2
Этиловый спирт из ацетилена можно получить в две стадии.При гидрировании ацетилена в присутствии катализатора образу-ется этилен:
НС≡СН + H2
������t, кат CH2=CH2
При присоединении к этилену воды в присутствии кислот об-разуется этиловый спирт.
СН2=СН2 + Н2O����H+, t СН3–СН2–ОН
При окислении этилена раствором перманганата калия образу-ется этиленгликоль:
СН2=СН2
���KMnO4, H2O CH2 CH2
OH OH
При окислении этиленгликоля образуется щавелевая кислота:
122
CH2 CH2
OH OH+2O2
���t, кат C
O
OHC
O
HO
+2Н2O
Ацетилен в присутствии сульфата ртути (II) присоединяет во-ду, образуется уксусный альдегид (реакция Кучерова):
НС≡СН + Н2O���
HgSO4 CO
HCH3
При окислении уксусного альдегида образуется уксусная ки-слота:
2 CO
HCH3 + O2
����t, кат 2 C
O
OHCH3
Из трех молекул ацетилена может образоваться молекула бен-зола (реакция тримеризации):
3НС≡СН���t, кат
CH
CH
CH
CH
HC
HC
При действии на бензол смеси концентрированной азотной ки-слоты и концентрированной серной кислоты происходит замеще-ние атома водорода на нитрогруппу и образуется нитробензол:
+ HNO2
���H2SO4
NO2
+ Н2О
Нитробензол можно восстановить в аминобензол (анилин):
NO2 ��Fe, HCl
[H]
NH2
123
б)CH3 CH3
������
C2H5OH�������� C
O
O C2H5
CH2CH3 – �������� CO2
Из этана в две стадии можно получить этанол. При хлорирова-нии этана образуется хлорэтан:
СН3–СН3 + Сl2 = СН3–CH2–Cl + НСl
При действии на хлорэтан водного раствора щелочи происхо-дит замещение атома хлора на гидроксильную группу и образуетсяэтанол.
CH3–CH2–Cl + NaOH = СН3–СН2–ОН + NaCl
При реакции этанола с пропионовой кислотой образуетсяэтилпропионат (этиловый эфир пропионовой кислоты):
CO
OHCH3CH2 + СН3СН2ОН
���H2SO4, t
���H2SO4, t CO
O CH2CH3
CH3CH2 + Н2О
При сгорании этилпропионата образуется оксид углерода (IV).Молекулярная формула этилпропионата C5H10O2.
2 C5H10O2 + 13O2 = 10СO2 + lOH2O
в) С ������ С2Н2
������ C2H6
������ С6Н14
������ циклогексан
��� бензолОксид кальция при высокой температуре реагирует с углем с
образованием карбида кальция:2СаО + 5С = 2CaC2 + СО2
При действии на карбид кальция воды получается ацетилен:СаС2 + 2Н2О = HC≡CH + Ca(OH)2
При хлорировании этана образуется хлорэтан:
124
СН3–СН3 + Сl2 = СН3–СН2–Сl + НСl
При реакции хлорэтана с хлорметаном в присутствии натрияобразуется пропан:
СН3Сl + СН3–СН2–Сl + 2Na = СН3–СН2–СН3 + 2NaCl
Из пропана в две стадии можно получить гексан. При хлори-ровании пропана образуется смесь изомеров – 1-хлорпропана и 2-хлорпропана. Изомеры имеют разные температуры кипения и ихможно разделить перегонкой.
СН3–СН2–СН3 + 2Cl��СН3–СН2–СН2–Сl + CH3 CH CH3
Cl
+ 2HСl
При взаимодействии 1-хлорпропана с натрием образуется гек-сан:
2СН3–СН2–СН2–Сl + 2Na = СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 + 2NaCl
При дегидрировании гексана над катализатором образуетсяциклогексан:
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
��� t, Pt
CH2
CH2
CH2
CH2
H2C
H2C + Н2
Бензол можно получить также при дегидрировании цикло-гексана:
CH2
CH2
CH2
CH2
H2C
H2C
��� t, Pt
CH
CH
CH
CH
HC
HC + 3Н2
г) Составьте уравнения реакций согласно второму форзацуучебника «Химия-11»:
При горении угля образуется оксид углерода (IV):С + O2 = СО2
При реакции оксида углерода с гидроксидом кальция образу-ется оксид углерода (IV):
125
СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3 + H2O
При сильном нагревании карбонат кальция разлагается на ок-сид кальция и оксид углерода (IV):
СаСО3 = СаО + СO2
Оксид кальция образуется также при реакции кальция с кисло-родом:
2Са + O2 = 2СаО
При реакции кальция с водой образуется гидроксид кальция:Са + 2H2O = Ca(OH)2 + Н2
При реакции кальция с соляной кислотой образуется хлоридкальция:
Са + 2НСl = CaCl2 + H2
Из хлорида кальция можно получить кальций электролизомрасплава:
СаСl2 = Са + Сl2
При реакции кальция или оксида кальция с углеродом при вы-сокой температуре образуется карбид кальция:
Са + 2С = СаС2
2СаО + 5С = 2СаС2 + СO2
При реакции карбида кальция с водой образуется ацетилен:CaC2 + 2Н2О = НС≡СН + Ca(OH)2
Ацетилен можно получить также из метана:
2СН4���t HC≡CH + 3H2
При разложении метана образуется также углерод:СН4 = С + 2Н2
Синтез-газ можно получить, пропуская водяной пар через рас-каленный уголь:
H2O + C = CO + H2
Синтез-газ получают также из смеси метана и кислорода принагревании в присутствии катализатора. При этом протекают сле-дующие реакции: часть метана сгорает с образованием оксида уг-лерода (IV) и воды.
СН4 + 2O2 = СO2 + 2Н2O
126
Затем образовавшиеся вода и оксид углерода (IV) взаимодей-ствую с оставшимся метаном:
СН4 + Н2O = СО + 3Н2
Из синтез-газа можно получить уксусный альдегид при помо-щи следующей последовательности реакций:
При пропускании синтез-газа над катализатором образуетсяметанол:
СО + 2Н2
���СH3ОН
При действии на метанол хлороводорода в присутствии сернойкислоты образуется хлорметан (метилхлорид):
СН3–ОН + НCl����
H2SO4, tСН3–Cl + Н2О
При взаимодействии хлорметана с натрием образуется этан(реакция Вюрца):
2СН3С1 + 2Na = СН3–СН3 + 2NaCl
Из этана в две стадии можно получить этанол. При хлорирова-нии этана образуется хлорэтан:
СН3–СН3 + Сl2 = СН3–СН2–Сl + НСl
При действии на хлорэтан водного раствора щелочи происхо-дит замещение атома хлора на гидроксильную группу и образуетсяэтанол.
СН3–СН2–Сl + NaOH = СН3–СН2–ОН + NaCl
Этанол окисляется оксидом меди при нагревании в уксусныйальдегид:
СН3–СН2–ОН + CuO
������t СН3–C
O
H+ Сu + Н2O
При гидрировании ацетилена в присутствии катализатора об-разуется этилен:
СН=СН + H2���t, кат СН2=СН2
Наоборот, при дегидрировании ацетилена образуется этилен:
СН2=СН2���t, кат СН=СН + H2
При присоединении к этилену воды в присутствии кислот об-разуется этиловый спирт.
127
СН2=СН2 + H2O
��������H+, t СН3–СН2–ОН
При сильном нагревании этилового спирта с серной кислотойпроисходит дегидратация и образуется этилен:
СН3–СН2–ОН
������H2SO4, 200 °C CH2=CH2 + Н2О
Ацетилен в присутствии сульфата ртути (II) присоединяет во-ду, образуется уксусный альдегид (реакция Кучерова):
НС≡СН + Н2O����HgSO4 C
O
HCH3
При окислении уксусного альдегида образуется уксуснаякислота:
2 CO
HCH3 + O2
���t, кат 2 CO
OHCH3
При восстановлении уксусного альдегида образуется этиловыйспирт:
CO
HCH3 + H2
������t, кат СH3–CH2–OH
При реакции уксусной кислоты с этиловым спиртом образует-ся этилацетат:
CO
OHCH3 + СH3–CH2OH
����H2SO4, t CO
OCH2CH3
CH3 + Н2О
При горении этилацетата образуется оксид углерода (IV):C4H8O2 + 5O2 = 4СO2 + 4Н2O
Из этилового спирта в присутствии катализаторов образуется1,3-бутадиен:
2СH3–CH2–OH���
t, кат СН2=СН–СН=СН2 + 2Н2О + Н2
При полимеризации бутадиена получается синтетическийкаучук.
128
СН2=СН–СН=СН2
���t, кат (–СН2–СН=СН–СН2–)n
Ацетилен димеризуется с образованием винилацетилена.
2СН=СН���
t, кат CH≡C–CH=CH2
При присоединении к винилацетилену хлороводорода образу-ется 2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен), при полимеризации которогообразуется хлоропреновый каучук.
СН≡С–СН=СН2 + НСl���СН2=С–СН=СН2
|Cl
nСН2=С–СН=СН2���
(–СН2=С–СН=СН2–)n| |Cl Cl
При тримеризации ацетилена образуется бензол:
3НС≡СН������t, кат
CH
CH
CH
CH
HC
HC
При реакции бензола с бромэтаном в присутствии катализато-ра образуется этилбензол (алкилирование бензола):
+ СН3СН2Вr������кат.
CH2CH3
+ НBr
При дегидрировании этилбензола образуется винилбензол (стирол):CH2CH3
����кат.
CHCH2
+ H2
При полимеризации стирола образуется полистирол:CHnCH2
������t, кат
(– CH2 – CH–)n